JP4231329B2 - Molded body containing dried gel and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断熱材、吸音材、触媒担体、絶縁材料、超音波等の音波の送受波器の音響整合層等に用いられる低密度の乾燥ゲルを含む成形体およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
乾燥ゲルは、ゲル原料、水、溶媒、ゲル化触媒とを混合して湿潤ゲルを形成した後に、乾燥により溶媒を除くことによって得られる。しかし、乾燥の際に、細孔内に発生する毛管力によりゲルの収縮が進行する。このとき、ゲルの細孔内に存在する水酸基同士が結合することにより、収縮した状態が固定されてしまう。
【0003】
これを防ぐために、湿潤ゲルの表面を有機シリル基で修飾して疎水化することにより固液界面の接触角θを大きくして、γcosθ(γは湿潤ゲル内の液体の表面張力)に比例する毛管力を低減する方法が例えば非特許文献1に開示されている。
【0004】
非特許文献1によると、金属アルコキシドであるアルコキシシランをゲル原料にして、ゾルゲル法により湿潤ゲルが形成され、アルコール置換を行うことで湿潤ゲル中に残存する水が除かれる。引き続き、疎水化は、炭化水素系溶媒中でシリル化剤を湿潤ゲルの表面に作用させて、ゲル表面に有機シリル基を導入することで行われる。乾燥は、湿潤ゲル中の炭化水素系溶媒を加熱乾燥により除くことで行われる。上記の方法によれば、水酸基が減少するため、収縮した状態が固定されることはなくなる。
【0005】
一方、特許文献1には、テトラアルコキシランの加水分解および重縮合によってアルコゲルを形成し、得られたアルコゲルをテトラアルコキシシランの溶液と接触させることによってアルコゲルのスケルトン(固体骨格)を強化できる、と記載されている。
【0006】
上記の様にして得られる低密度の乾燥ゲルからなる多孔体は、その低い密度、大きな比表面積、微細な細孔構造、低い誘電率、低い音響インピーダンスのために断熱材、吸音材、触媒担体、LSI等の層間絶縁材料、超音波の送受波器の音響整合層等に用いられる。
【0007】
例えば、断熱材としては、低密度であるために固体熱伝導が低減される。また、さらに微細な細孔構造を有するために優れた断熱性能を発揮する。また、減圧した容器内に封じ込めることにより、より高い断熱性能を発揮する。この断熱材は、例えば熱家電機器や住宅等の断熱のために用いられる。
【0008】
上記の断熱材や他の用途に用いられる場合、使用の形態としては、乾燥ゲルの粉末として容器等に充填して用いられる。さらに、粉末をバインダにより成形して用いることが取り扱い上好ましい。なお、本明細書において、「粉末」とは粒子および/または顆粒から構成されるものを広く含む。また、特に断らない限り、「粒子」は粉末の構成要素を代表して表す用語として用い、「顆粒」を含むものとする。
【0009】
上記のバインダとしては、固体のバインダまたは液体状態のバインダが用いられる。バインダとしてホットメルト接着剤のような固体バインダを用いる場合、乾燥ゲル粉末を構成する個々の粒子の表面を均一に覆い粒子同士を接着することが難しい。このため、一般的に溶剤を除くバインダ成分(ソリッドコンテンツ)が同量であれば、液体状態のバインダ(バインダ組成物)の方が固体バインダよりも強い結合力を発揮する。なお、本明細書においては、バインダと溶媒とを含むものを「バインダ組成物」ということがある。
【0010】
液体状態のバインダ組成物は、固体あるいは液体のバインダを、有機溶媒や水に溶解することで、あるいは水性エマルジョン等とすることで得られる。この液体状態のバインダ組成物を用いると、乾燥ゲル粉末が溶媒(水や有機溶媒)に対する親和性を有する場合には、溶媒が乾燥ゲル粉末の細孔内に浸入する。この場合、既に説明したように、その溶媒の浸入、乾燥の際に、ゲルの細孔内に形成される気液界面に起因する毛管力のためにゲルの収縮が進行する。従って、溶媒に対する親和性が高い低密度の乾燥ゲル粉末を液体状体のバインダにより結合させて低密度の成形体を得ることは難しい。
【0011】
この溶媒の侵入を抑制するためには、例えば乾燥ゲル粉末が疎水性を有している場合、水を溶媒とすることが好ましい。具体的には、液体状態のバインダとして、水溶性高分子の水溶液あるいは非水溶性高分子の水性エマルジョンをバインダとして用いることが好ましい。特許文献2には、疎水性の乾燥ゲル粒子の表面とバインダとの塗れ性を改善するために界面活性剤を用いることが開示されているが、得られる成形体の強度は十分ではない。
【0012】
【特許文献1】
特表平6−510268号公報
【特許文献2】
特開平10−147664号公報
【特許文献3】
特開2000−012313号公報(特に表1の実施例1、実施例2)
【特許文献4】
特許第3243107号公報(特に表1)
【非特許文献1】
ジャーナル オブ クリスタライン ソリッド 186巻、104−112頁、1995年。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の製造方法では、低密度(特に密度が500kg/m3以下)の乾燥ゲルをバインダにより結合して得られる成形体の強度が弱いという課題があった。すなわち、溶媒やバインダが乾燥ゲルの細孔内に侵入すると、乾燥ゲルの収縮や割れが発生するので、これを抑制する必要があった。
【0014】
本発明は、上記の諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、密度の低い乾燥ゲルを含む成形体の強度を向上することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の成形体の製造方法は、乾燥ゲルを含む成形体の製造方法であって、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である乾燥ゲル粉末を用意する工程と、バインダおよび溶媒を含むバインダ組成物を用意する工程と、前記バインダ組成物を用いて前記乾燥ゲル粉末を所定の形状に成形する工程とを包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【0016】
ある実施形態において、前記バインダを前記乾燥ゲル粉末の細孔内に侵入させる工程を包含する。
【0017】
ある実施形態において、前記乾燥ゲル粉末は疎水性を有し、前記溶媒は有機溶媒である。
【0018】
ある実施形態において、前記乾燥ゲル粉末は親水性を有する。
【0019】
ある実施形態において、前記乾燥ゲル粉末の固体骨格は無機材料から形成されている。
【0020】
ある実施形態において、前記無機材料は酸化ケイ素を含む。
【0021】
ある実施形態において、前記乾燥ゲル粉末を製造する工程は、第1固体骨格と第1細孔とを有する第1ゲルを用意する工程と、前記第1固体骨格の少なくとも一部を分解するとともに前記第1固体骨格よりも太い第2固体骨格を形成する再構築工程と、前記再構築工程によって得られたゲルを乾燥することによって乾燥ゲルを得る工程と、前記乾燥ゲルを粉砕する工程とをさらに包含する。
【0022】
本発明の成形体は、乾燥ゲル粉末とバインダとを含む成形体であって、前記乾燥ゲル粉末の、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である。
【0023】
前記バインダが前記乾燥ゲル粉末の細孔内部に侵入していることが好ましい。
【0024】
本発明の組成物は、乾燥ゲル粉末とバインダと溶剤とを含む組成物であって、前記乾燥ゲル粉末の、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下であることを特徴とする。
【0025】
前記溶剤が前記乾燥ゲル粉末の細孔内部に侵入していることが好ましい。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施の形態の乾燥ゲルを含む成形体およびその製造方法を説明する。
【0027】
本発明による実施形態の乾燥ゲルを含む成形体は、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である乾燥ゲル粉末とバインダとを含んでいる。
【0028】
本発明が検討した結果、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である乾燥ゲル粉末は、溶剤がその細孔内に侵入しても毛管力による収縮や割れの発生が抑制される(この性質を「耐溶剤性」と呼ぶことがある。)。この効果は、特に低密度の乾燥ゲルに対して顕著である。これは、低密度で強度が弱いにもかかわらず、従来の乾燥ゲルよりも微細な細孔が少なく、細孔径に比例する毛管力を低減できるためである。具体的には、例えば密度が200kg/m3程度の低密度乾燥ゲルの場合、従来のものでは2nm〜40nmの細孔容積が2.5cm3/g程度であるが、本発明で用いられる乾燥ゲルでは、1cm3/g以下と小さい。また、上記乾燥ゲル粉末は、密度が50kg/m3以上500kg/m3以下と低く、2nm以上40nm以下の細孔容積が0.5cm3/g以下である場合に特に好ましい。
【0029】
上述のように微細な細孔の容積が小さい乾燥ゲル粉末を用いると、溶媒やバインダが細孔内に侵入しても乾燥ゲルの収縮や割れに起因する特性の劣化が無いので、従来よりも強度の高い成形体を得ることができる。すなわち、従来の低密度乾燥ゲルでは、溶剤やバインダが細孔に侵入することを避ける必要があったが、上述の乾燥ゲルを用いるとバインダを細孔内に積極的に侵入させ、成形体の強度を向上することができる。成形体の強度が向上する要因は、バインダが成形体の隅々まで行き渡ることによる成形体のバルクとしての強度の向上と、バインダが乾燥ゲルの細孔内に侵入することによるゲル粒子の強度の向上とがある。
【0030】
また、上記の乾燥ゲル粉末は、炭化水素系の疎水性溶剤だけでなく、水に代表される親水性溶剤に対しても優れた耐溶剤性を有するので、種々の溶剤を含む液状のバインダ組成物を用いることができる。
【0031】
また、乾燥ゲル粉末の固体骨格の表面が疎水性のものだけでなく、親水性のものも得られるので、溶剤の種類に応じて適宜選択することもできる。すなわち、従来は乾燥の際のゲルの収縮を抑制するためにゲルの固体骨格の表面を疎水性とし、且つ、溶剤が細孔に侵入することを抑制するために親水性のバインダ組成物(水系エマルジョン)を用いる必要があったが、本発明によるとこのような制約が無く、種々の組み合わせが可能となる。
【0032】
乾燥ゲル粉末の粒径は、特に制限されるものではなく、数十ミクロンメーターオーダー以下の粉末であってもよい。材質は特に制限されず、無機系のゲル、有機系のゲルが用いられる。有機材料であればフェノール系,メラミン系,アミド系等がある。また無機材料であれば,各種の無機酸化物が適用可能で、チタン、シリコン、バナジウム、アルミ、ジルコニウム等の酸化物がある。
【0033】
これらの中でも、乾燥ゲルの主成分が、ケイ素酸化物であることが好ましい。これは、以下の理由による。ケイ素酸化物は,後の製造方法で述べるように,安価な水ガラス系ゲル原料から得られるため製造コストが低くなる。また,ケイ素のアルコキシドは,他の金属アルコキシドのより反応性が温和であるため,反応の制御が容易で,乾燥ゲルからなる多孔体もより容易に得られるためである。
【0034】
本発明で用いられるバインダは、溶媒に分散あるいは溶解した状態で用いられることが好ましい。溶媒としては、水および有機溶媒(混合溶媒を含む)が用いられ、バインダを溶解、分散するものであれば特に制限を受けない。例えば、水を溶剤とするバインダとしては、澱粉系、セルロース系、メラミン系、フェノール樹脂系、イソシアネ−ト系、レゾルシン系、酢酸ビニル樹脂エマルジョン系、アクリル樹脂エマルジョン系等がある。有機溶剤を溶剤とするバインダとしては、ケイ素樹脂(シリコーン樹脂)系、アクリル樹脂系、ビニル樹脂系、酢酸ビニル樹脂系、フェノール樹脂系、セルロース系等がある。これらのうち、乾燥成形時に、加熱、光照射、触媒作用により架橋構造を形成するものが、より強度の高いものが得られるので好ましい。
【0035】
本発明による実施形態の乾燥ゲルを含む成形体の製造方法は、以下の工程を含む。
【0036】
上述した、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である乾燥ゲル粉末を用意するとともに、バインダおよび溶媒を含むバインダ組成物を用意する。このバインダ組成物を用いて上記乾燥ゲル粉末を所定の形状に成形する。
【0037】
乾燥ゲル粉末とバインダ組成物とを混合した後、この組成物を所定の形状に成形する。例えば、乾燥ゲル粉末を含む組成物を型へ流し込む、または、塗布、印刷することにより、ブロック状または膜状の成形体を得ることができる。あるいは、乾燥ゲル粉末を所定の形状の型に充填した後で、バインダ組成物を当該型に充填(注入)してもよい。
【0038】
この後、組成物中に含まれる溶媒を乾燥することにより、乾燥ゲル粉末の細孔内にバインダが侵入し、乾燥ゲル粒子が結合された成形体が得られる。この際、溶媒を乾燥する前、あるいは乾燥する際に、バインダを光照射、あるいは熱、触媒添加により重合させることで、より強固な成形体が得られる。また、バインダは、成形体の密度を過度に上昇させないために、乾燥ゲル粉末の質量の30%程度以下にすることが好ましい。
【0039】
このようにして得られる乾燥ゲルを含む成形体は、低密度であるため、断熱材に用いられると断熱性が高く、超音波送受波器の音響整合層に用いれば、空気や各種ガスの低い音響インピーダンスへの整合が容易である。さらに、従来に比べて強度が高いために、取り扱い性に優れが、上記用途への適用が容易となる効果がある。また、水や有機溶媒との接触による収縮や割れが抑制されるため、断熱材、音響整合層、吸音材、触媒担体、絶縁材料等に適用する場合に、使用環境の制限が大幅に緩和される効果がある。
【0040】
また、上述の乾燥ゲル粉末とバインダと溶剤とを混合して得られる組成物は、典型的には、乾燥ゲルがスラリー状に分散したものである。乾燥後の成形体の密度が過度に上昇しないように、この組成物中のバインダ成分(ソリッドコンテント)は乾燥ゲルの質量に対して30質量%程度以下に調整されることが好ましい。また、乾燥ゲルの細孔の内部にバインダおよび溶剤が侵入するので、従来の疎水化された乾燥ゲル粒子を水系エマルジョンのバインダ組成物に分散する場合のように、乾燥ゲル粉末が組成物から容易に浮遊・分離することがなく、安定な組成物を得ることができるとともに、成形工程の作業性も改善される。
【0041】
(乾燥ゲル粉末)
まず、本発明による乾燥ゲルを含む成形体に好適に用いられる乾燥ゲル粉末およびその製造方法を詳細に説明する。
【0042】
以下では、本発明の効果が顕著である、密度が500kg/m3以下の乾燥ゲルを製造する方法を例示するが、本発明の製造方法を用いて500kg/m3超の密度の乾燥ゲルを製造することもできる。
【0043】
本発明の実施形態の乾燥ゲルを含む成形体の製造方法における乾燥ゲルを製造する工程は、第1固体骨格と第1細孔とを有する第1ゲルを用意する工程と、第1固体骨格の少なくとも一部を分解するとともに第1固体骨格よりも太い第2固体骨格を形成する再構築工程(第2ゲル化工程ということもある。)とを包含する。第1ゲルは公知の方法で製造したものを用いることができる。
【0044】
再構築工程は、粒径が10nm以上100nm以下の粒子を生成する再構築原料溶液(「第2ゲル原料溶液」ということもある。)に第1ゲルを接触させる工程によって実行される。
【0045】
第1ゲルを用意する工程は、公知の方法で実行することができ、例えば、第1ゲル原料と、第1触媒(ゲル化触媒)と、第1溶媒とを含む第1ゲル原料溶液からゾルゲル法によって第1湿潤ゲルを作製する工程を包含する。この工程を第1ゲル化工程と呼ぶこともある。なお、ここでは、乾燥後の密度が500kg/m3以下となる湿潤ゲルを作製する。
【0046】
再構築工程において、第1ゲルを接触させる上記再構築原料溶液(第2ゲル原料溶液)は、例えば、再構築原料(第2ゲル原料)と、再構築触媒(第2触媒)と、水と、再構築溶媒(第2溶媒)とを含む。再構築原料は第1ゲル原料と同じであってもよいし、再構築触媒は第1触媒と同じであってもよい。再構築原料溶液は、水を含むことが必要であり、再構築原料溶液中で粒径が10nm以上100nm以下の粒子が生成される溶液を用いることが好ましい。
【0047】
再構築原料溶液に接触させる第1ゲルは、湿潤ゲル(第1湿潤ゲル)であることが好ましい。ここで例示するように乾燥後の密度が500kg/m3以下となる湿潤ゲルを乾燥すると、その過程でゲルに割れが生じることがあるが、湿潤ゲルのままで再構築原料溶液に接触させると、第1ゲルが低密度のゲルであっても、密度上昇や固体骨格の崩壊による割れの発生が防止される。なお、最終的な乾燥ゲルを粉末(顆粒状を含む)の形態で利用する場合には、湿潤ゲルを乾燥した後で再構築工程に供しても良い。この場合には、第1ゲルの固体骨格の表面を疎水化しておくことが好ましい。この疎水化工程は公知の方法で実行することができる。
【0048】
この再構築工程は、1回に限らず、段階的に複数回実行してもよい。また、再構築工程によって形成された第2湿潤ゲルを、第3触媒を含む水溶液に接触させ、第2固体骨格の一部を分解するとともに、第2固体骨格の強度を高めるゲル補強工程を更に有してもよい。
【0049】
また、得られた第2固体骨格の表面を疎水化する工程をさらに包含してもよく、疎水化工程は、再構築工程の後に行ってもよいし、再構築工程と同じ工程で実行してもよい。勿論、再構築工程によって得られた第2固体骨格を有する第2湿潤ゲルを乾燥した後で、疎水化工程を実行してもよい。
【0050】
本発明の実施形態における乾燥ゲルの製造方法によって、有機溶媒等との接触による収縮および/または割れが発生し難い乾燥ゲルが得られるメカニズムの概要を説明する。
【0051】
まず、第1ゲル化工程では、相対的に密度の小さい湿潤ゲルの固体骨格(例えば、乾燥後の密度が500kg/m3以下)を形成し、再構築工程(第2ゲル化工程)では、第1ゲル化工程で構成された第1固体骨格上に、再構築原料(第2ゲル原料)となるモノマーあるいはオリゴマーを重合させて形成される微粒子を、主として重合させることで、第1固体骨格の細い部分を補強して、第1固体骨格よりも太い第2固体骨格を形成しつつ、密度の上昇が進行する。このように、一度ゲルの固体骨格を形成した後に、再度ゲル化工程を有するため、湿潤ゲルの状態での密度向上も可能となり、従来得られなかった高い密度の乾燥ゲルを得ることも可能となる。
【0052】
また、再構築工程では、上述の重合による密度上昇と並行して、第1固体骨格の分解(溶解)も進行する。すなわち、再構築原料溶液中の水と再構築触媒(第2触媒)との存在によって、第1固体骨格の加水分解が並行して起こる。そのため、第1ゲルの微細な細孔構造が消失し、第1固体骨格よりも太い第2固体骨格と粗い細孔とを有するゲル構造の再構築が促進される。
【0053】
また、本発明による実施形態の製造方法によれば、ゲル化時に進行する湿潤ゲルの収縮が抑制されるので、基体上などに乾燥ゲルを形成する場合に、割れや基体からの脱落等が低減される効果が得られる。これは以下のように説明できる。
【0054】
一般的にゲル化時には、架橋の進行に伴い、初期密度の高いゲルほど、収縮により寸法減少が生じる。ところが、本発明の実施形態の乾燥ゲルの製造方法は、第1ゲル化と再構築工程とを有するので、一定の密度のゲルを得るために必要な、第1ゲル化工程でのゲル密度を低くすることが可能となり、その結果、第1ゲル化工程における収縮を抑制することができる。
【0055】
なお、第1湿潤ゲルを作製した第1ゲル原料溶液にゲル原料を追加することなく、第1湿潤ゲルをその溶液中に一定温度で放置する従来エージング処理によっても、ゲル強度が向上することが知られている。この従来のエージング処理では、第1固体骨格の細い部分にある水酸基間で脱水縮合が進行して結合が強くなるためゲル強度が上昇すると考えられている。しかしながら、この場合、ゲル原料の補給がないため骨格を太くする効果が小さく、十分な強度の向上を得ることができない。
【0056】
また、上述の特許文献1に記載の方法では、ゲル原料が補強されるので、上述のエージング処理も強度の向上はあるものの、2〜40nmの小さな細孔の大半が残存しているため、有機溶媒との接触、乾燥による割れ、クラックを回避するのに十分な強度を得ることはできない。
【0057】
これはいずれの方法においても、最初に形成されたゲルの固体骨格(第1固体骨格)を分解することが無いので、微細な細孔がそのまま残存し、その細孔で発生する毛管力が低減されないためと考えられる。
【0058】
以下に、さらに詳しく本発明の製造方法に関する実施の形態について説明する。
【0059】
本実施形態の乾燥ゲルからなる多孔体の製造方法は、図1に示したように、第1ゲル原料溶液(第1ゲル原料、第1触媒、第1溶媒を含む)1を調製する工程S1と、第1ゲル原料溶液1から第1湿潤ゲル2を作製する工程S2と、第1湿潤ゲル2を別途調製した再構築原料溶液(再構築原料、再構築触媒、水および再構築溶媒を含む。)3に接触させる工程S3と、再構築原料溶液3中で、第1湿潤ゲル2の固体骨格よりも太い第2固体骨格を有する第2湿潤ゲル4を作製する工程S4とを含んでいる。さらに、工程S4の後に疎水化工程を実行し、疎水化された第2湿潤ゲルを乾燥することによって、有機溶媒等との接触による収縮および/または割れが発生し難い乾燥ゲルが得られる。後に説明するように、このようにして得られる乾燥ゲルは、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である点に特徴を有している。
【0060】
なお、本明細書において、特に断らない限り、「細孔容積」は、窒素吸着法によりBJH法を用いて算出された細孔容積であり、「比表面積」は窒素吸着法によりBET法を用いて算出された比表面積とする。
【0061】
以下で各工程を順に説明して行く。
【0062】
(第1ゲル化工程)
本実施形態では、まず、いわゆるゾルゲル法により第1湿潤ゲル1を作製する(図1のS1〜S2)。その際、第1ゲル原料に第1触媒(ゲル化触媒)を加えてゲル化を進行させる。
【0063】
本実施形態の製造方法で用いられるゲル原料としては、ゾルゲル法に用いられる一般的な原料が用いられる。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタン等の酸化物微粒子や対応するアルコキシド等がある。この中でも金属としてケイ素を含有する化合物が、入手の容易性から好ましい。また、金属アルコキシドの場合、既に述べたように、反応制御の容易性の観点からもケイ素が好ましい。例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン等のケイ素アルコキシドが用いられる。
【0064】
ここで、ジアルコキシシランは単独では、ゲルを形成し難いため、他のゲル原料と混合して用いられる。さらに、これらのオリゴマーをゲル原料として用いれば、ゲル原料の沸点が下がるために、製造時の安全性が高くなる効果を奏する。その他、コロイダルシリカ、水ガラス、水ガラスから電気透析により得られるケイ酸水溶液等は価格が低いために好適に用いられる。
【0065】
ゲル化触媒としては、一般的な有機酸、無機酸、有機塩基、無機塩基が用いられる。有機酸として、酢酸、クエン酸など、無機酸として、硫酸、塩酸、硝酸など、有機塩基として、ピペリジンなど、無機塩基として、アンモニアなどがある。また、ピペリジン等のイミン系のものを用いれば細孔径が大きくなる効果があるため毛管力低減の観点からより好ましい。
【0066】
第1溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等の低級アルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールのモノあるいはジエーテル、アセトン等の低級ケトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等の低級エーテルのような水溶性有機溶媒が用いられる。また、第1ゲル原料の加水分解、縮重合でゲルが形成される場合には、加水分解に必要な水も添加される。
【0067】
(再構築工程)
第1ゲル化工程に引き続き、再構築工程(図1のS3〜S4)が実施される。再構築工程では、第1ゲル化工程で形成された第1湿潤ゲル2の固体骨格のいつ部を分解しながら、新たな固体骨格(第2固体骨格4)を形成する。具体的には、まず再構築工程のための再構築原料と、再構築触媒および水と、必要に応じて溶媒を添加混合することによって再構築原料溶液3を調製し(S3)、これに第1ゲル化工程で得られた第1湿潤ゲル1を浸漬させる。
【0068】
上記の再構築触媒の添加は重合を進め、新たな固体骨格の成長を加速する。また、水および再構築触媒の添加は、加水分解により第1湿潤ゲルの固体骨格を構成する微粒子の分解(溶解)を進め、第1湿潤ゲルの微細な細孔構造を崩すように作用する。さらに、この加水分解は上記の再構築触媒によっても加速される。このように、古い固体骨格(第1固体骨格)を崩す速度と、新たな固体骨格(第2固体骨格)を形成する速度が共に非常に大きいために、大幅な細孔構造の変化を伴う固体骨格の再構築が初めて可能になると考えられる。
【0069】
この様子を図2(a)および(b)を参照しながら説明する。図2(a)は第1湿潤ゲル1の第1固体構造2aを模式的に示す図であり、図2(b)は本実施形態によって得られる第2湿潤ゲル4の第2固体骨格4aを模式的に示している。これらの図2は、後述する実施例によって得られた乾燥ゲルのSEM観察結果に基づいている。
【0070】
図2(a)に示す第1固体骨格2aは、数nmの粒子から構成されており、2nm以上40nm以下の細孔の容積は3cm3/g〜5cm3/g程度ある。従来の乾燥ゲルの製造方法では、この湿潤ゲルを疎水化した後乾燥するわけであるが、微細な細孔が多いため上述したように、ゲルの収縮や割れを生じていた。すなわち、図2(a)に示した構造を有する乾燥ゲルを得ることは難しかった。
【0071】
これに対し、本実施形態による第2湿潤ゲル4が有する第2固体骨格4aは、第1固体骨格2aの一部が分解し、且つ、再構築原料のゲル化によって生成された微細な粒子が結合することによって、主として10nm程度から100nm程度の粒子から構成される第2固体骨格4aが形成される。このとき、2nm以上40nm以下の細孔の容積は1cm3/g以下にまで大幅に減少する。従って、再構築工程の後で、第2湿潤ゲル4を乾燥しても、ゲルの収縮や割れの発生が抑制される。また、このようにして、有機溶媒の浸入・乾燥時に収縮の原因となる微細な細孔が大幅に減少するために、有機溶媒に接触した際の、収縮、割れを抑制することが可能になる。
【0072】
具体的な実験結果を示してこの現象を説明する。
【0073】
図3(a)〜(e)は、再構築原料溶液(後述する実施例1と同一組成)に生成される粒子の粒度分布を測定した結果を示すグラフである。粒度分布の測定は、動的散乱を用いて粒子のブラウン運動によるドップラーシフトを測定することによって行った。この測定は、日機装株式会社製の粒度分布計(MICROTRAC UPA150)を用いて行った。図3(a)は溶液を調製後、1時間、(b)は5時間、(c)は10時間、(d)は24時間、(e)は48時間後の結果を示している。なお、溶液を調製後1時間までは生成される粒子の量が少なく、散乱強度が弱いので信頼性の高いデータが得られなかった。
【0074】
図3(a)〜(e)から、この再構築原料溶液では、数時間〜10時間にかけて30nm〜100nm程度の粒子が形成されていることがわかる。なお、初期の数時間では比較的大きな粒子が形成され、時間の経過につれて比較的小さな粒子が多数形成されている。これは初期には不均一な反応が起こるためと考えられる。また、一旦形成された大きな粒子が時間の経過につれて分解している可能性も考えられる。
【0075】
このような溶液に第1湿潤ゲルを浸漬すると、再構築原料溶液中に存在する30nm〜100nmの粒子のうち、反応性の高い(比表面積が大きい)比較的小さい粒子が優先的に、第1ゲルの固体骨格に縮重合する。また、これと並行して、第1固体骨格からモノマーあるいはオリゴマーが溶解する(加水分解される)ことで、固体骨格の再構成が進行する。
【0076】
種々検討した結果によると、縮重合に寄与する粒子の径は、その処理液の粒度分布に依存し、10nm〜50nm粒子が同数程度分布している場合には、再構成されたゲルは反応性の高い10nm〜20nm程度の小さい粒子でほぼ形成され、40nm〜100nmの粒子が同数程度分布している場合には、40nm〜60nm程度の相対的に小さい粒子が主に縮重合に寄与すると考えられる。従って、効率的な再構築を行うためには、再構築原料溶液として、粒径が10nm以上100nm以下の粒子を生成するゲル原料溶液を用いることが好ましいと考えられる。
【0077】
また、通常粒子が大きくなると重合等の反応性が低下し、粒子同士の結合も弱くなるが、本実施形態の製造方法によれば、10nm〜100nmの粒子は、再構築ゲル化溶液中で形成されて、直ぐに第1固体骨格上に重合する(第1固体骨格の表面に結合する)。すなわち、生成された粒子の表面が反応性(活性)に富んだ状態で第1固体骨格と反応するので、反応が速く進行する。さらに、第1固体骨格を構成する粒子間のネック部は、活性が高く変形の自由度が高いため、このネック部が特に厚くなりやすく、粒子間の結合を強化できるという効果もある。
【0078】
次に、図4(a)および(b)を参照しながら、再構築工程によって、細孔径の大きな第2湿潤ゲルが形成されていることを説明する。図4(a)は、窒素ガスを用いたBJH法によって求めた累積細孔曲線(細孔容積(cm3/g)と細孔径(細孔直径)との関係)を示すグラフであり、図4(b)は微分細孔曲線を示すグラフである。それぞれの図において、曲線CおよびDは第1湿潤ゲル(乾燥後)の累積・微分細孔曲線を示し、曲線A,BおよびEは、本実施形態による再構築工程を経た後、すなわち、第2湿潤ゲル(乾燥後)の累積・微分細孔曲線をそれぞれ示している。曲線Fは上記の特許文献1に記載されている方法で、第1湿潤ゲルの骨格を補強した湿潤ゲル(乾燥後)の累積細孔曲線を示している。
【0079】
図4(a)および(b)から明らかなように、第1湿潤ゲル(曲線CおよびD)は、2nm以上40nm以下の微細な細孔の細孔容積が3cm3/g以上であるのに対し、本実施形態の再構築工程を経ることによって、1cm3/g以下まで低減されている(曲線A、BおよびE)。特に、曲線Eの試料では0.4cm3/g以下まで低減されている。
【0080】
このように、再構築工程によって、細孔径の小さな細孔の容積が減少するのは、第1固体骨格の一部が加水分解によって崩壊しているためと考えられる。
【0081】
一方、特許文献1の方法では、細孔径が2nm以上40nm以下の細孔の細孔容積は2cm3/g以上あり、第1固体骨格の崩壊および再構築は起こっていない。
【0082】
さらに、再構築工程の処理時間を長くするか、触媒および/または水の濃度を高くすること等で、上記細孔容積を0.5cm3/g以下にまで低減することが可能である。この際、比表面積も300m2/g以下に減少する。
【0083】
これは、本発明の好ましい乾燥ゲルからなる多孔体の構成である。この場合には、有機溶媒との接触により収縮が起こらないことに加え、割れの発生も回避することが可能となる。また、再構築後の湿潤ゲルを乾燥する時に、超臨界乾燥に依らなくても、通常の加熱乾燥により、割れ、収縮のないブロック状の乾燥ゲルからなる多孔体が得られる効果がある。
【0084】
また、本実施形態で得られる乾燥ゲルは、従来の乾燥ゲルよりも残存する官能基(ゲル化に消費されなかった官能基)の量が数割程度少ない。例えば、表1に示すように、アルコキシシランを用いて第1ゲルを形成した場合、従来の乾燥ゲルに比べ、再構築工程を行った本発明による乾燥ゲルの方が残存する官能基(アルコキシ基およびシラノール基)の割合は半分になっている。なお、表1に例示した乾燥ゲルはいずれも、ジメチルジメトキシシランで疎水化処理を施したものであり、官能基を有するSiの原子数は、29Si−NMR測定によって求めた。
【0085】
【表1】
【0086】
一般にアルコキシシランを用いて形成されたゲルは、固体骨格を形成する粒子が小さく、粒子表面にあって重合に寄与していない官能基の数が多い。本実施形態の製造方法によると、再構築ゲル原料溶液中で形成された10〜100nmの粒子が主として新たな骨格を形成する、すなわち第1ゲルの固体骨格の表面に結合するため、表面積が減少し、それに応じて表面に残された官能基も減少すると考えられる。本実施形態による乾燥ゲルをSEM観察すると、固体骨格の表面に10nm程度から数十nmの粒子の存在が確認できる。
【0087】
また、再構築触媒と水の添加濃度により、室温以下でも再構築を十分に進行させることができるので、昇温を嫌う材料や部品等使う必要がある場合に、本実施形態の製造方法は特に好ましい。
【0088】
また、再構築工程では、第1ゲル化で形成された湿潤ゲルの外部ではなく、湿潤ゲルの固体骨格上で選択的に進行することが重要である。そのためには、再構築ゲル原料が、第1湿潤ゲル内に十分に入って行くために、ゲル化に要する時間を長くすることが好ましい。あるいは、再構築ゲル原料が、短い時間で湿潤ゲル中に入って行くように、湿潤ゲルを小さな片あるいは粒子とするか、薄膜とすることが好ましい。
【0089】
既に述べたように初期に低密度ゲル骨格を形成することで、ゲル化時の収縮が小さくなるため、収縮による割れや基体からの欠落が減少し、断熱材、吸音材、絶縁材料、音響整合層等として使用される時の良好な性能が確保され、特性のばらつきも小さくなるという効果を奏する。また、多孔体の細孔径も大きくなることから、事故などで有機溶媒に接触した際、乾燥過程に生じる割れや収縮が低減され、使用時の信頼性が高くなるという効果を奏する。
【0090】
再構築工程で用いられる再構築触媒としては、第1ゲル化工程で用いられるゲル化触媒群の中のものを使用することができるが、特に、第1ゲル化工程時のゲル化触媒と同一のものである必要はない。
【0091】
また、再構築工程で用いられる再構築ゲル原料としては、第1ゲル化工程で用いられるゲル原料が用いられ、第1ゲル原料と再構築ゲル原料との関係は、特に制限を受けない。例えば、第1ゲル化工程で、ゲル原料としてアルコキシシランであるテトラエトキシシランが用いられた場合には、再構築工程では、再構築ゲル原料としてテトラエトキシシランを用いることができる他、ゲル原料が溶解する溶媒を選べば、他の金属アルコキシドや、ケイ酸水溶液等も用いることも可能である。
【0092】
この工程で用いられる溶媒は、上で述べたように再構築ゲル原料、再構築触媒が溶解すれば特に制限を受けない。
【0093】
(疎水化工程)
再構築工程に続き、疎水化工程を実施する。この工程では、再構築工程までに得られた湿潤ゲルの表面に、溶媒中に溶解した疎水化剤を反応させることで、疎水基を導入する。疎水化剤は、後述するクロロシラン等の場合は、水と反応して湿潤ゲル表面との反応性が低下するため、疎水化の前に、水溶性の溶媒により洗浄することで、あるいは水と共沸する溶媒を用いて留去することで水を除くことが好ましい。
【0094】
本発明に用いられる疎水化剤としては、反応性が高い点からシリル化剤が好ましく、例えばシラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルシラノール化合物およびアルキルアルコキシシラン化合物等がある。
【0095】
これらのシリル化剤は、シラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルアルコキシシラン化合物の場合は、直接あるいは加水分解を受けて、対応するアルキルシラノールになってからゲル表面のシラノール基と反応する。また、アルキルシラノールをシリル化剤として用いれば、そのまま表面のシラノール基と反応する。
【0096】
これらの中でも、疎水化時の反応性が高いことと入手の容易性から、クロロシラン化合物、シラザン化合物が特に好ましく、入手の容易性及び疎水化時に塩化水素、アンモニア等のガスを発生しないことからはアルキルアルコキシシランが特に好適に用いられる。
【0097】
具体的には、トリメチルクロロシラン、メチルトリクロロシランおよびジメチルジクロロシランなどのクロロシラン化合物、ヘキサメチルジシラザンなどのシラザン化合物、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシランおよびジエトキシジメチルシランなどのアルキルアルコキシシラン化合物、トリメチルシラノールおよびトリエチルシラノールなどのシラノール化合物に代表されるシリル化剤がある。これらを用いれば、湿潤ゲル表面にトリメチルシリル基などのアルキルシリル基を導入することで疎水化を進行させることができる。
【0098】
また、疎水化剤として、フッ素化されたシリル化剤を用いれば、疎水性が強くなり非常に効果的である。
【0099】
また、疎水化剤としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、エチレングリコールおよびグリセロールなどのアルコール類の他、蟻酸、酢酸、プロピオン酸およびコハク酸などのカルボン酸なども用いることができる。これらは、ゲル表面の水酸基と反応してエーテルまたはエステルを形成することで疎水化を進めるが、反応が比較的遅いため高温の条件が必要である。
【0100】
(乾燥工程)
疎水化工程に続き、乾燥工程を実施する。この工程では、疎水化工程までに得られた湿潤ゲルから溶媒を除くことにより、乾燥ゲルを得る。
【0101】
湿潤ゲルから溶媒を除く乾燥方法としては、(1)加熱乾燥法(2)超臨界乾燥法(3)凍結乾燥法の3つの方法がある。加熱乾燥法は、最も一般的簡便な乾燥法であり、溶媒を含む湿潤ゲルを加熱することで、液体状態の溶媒を気化させて除去するものであり、この乾燥によることが最も好ましい。なお、ここでいう「加熱乾燥」は、上記の加熱の程度が極端に低い場合として、加熱を行わずに放置して乾燥する自然乾燥も含むものとする。
【0102】
乾燥時に、ゲルの密度が低い場合にはゲル中の溶媒の表面張力に比例する毛管力のために、ゲルが一時的に収縮し割れを生じることがある。このため、乾燥時の溶媒は沸点での表面張力が小さい炭化水素系の溶媒が好ましく、特に安価なヘキサン、ペンタンあるいはその混合物が好ましい。一方、安全性の観点からは、イソプロパノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類、さらに水あるいは水と有機溶媒との混合溶媒からの乾燥が好ましい。本実施の形態では湿潤ゲルが、後述の超臨界乾燥法により細孔容積が0.5cm3/g以下、比表面積が300m2/g以下の乾燥ゲルを与える湿潤ゲルであれば、アルコール類、水をはじめとする多くの溶媒からの乾燥によっても割れ、収縮が抑制される。
【0103】
超臨界乾燥法は、溶媒除去時の溶媒の表面張力を下げるために、表面張力が0である超臨界流体を用いるものである。乾燥時に、溶媒は液体状態を経ずに取り除かれる。乾燥に用いられる超臨界流体として、水、アルコール、二酸化炭素等の超臨界状態があるが、最も低温で超臨界状態が得られ、しかも無害である二酸化炭素が好適に用いられる。
【0104】
具体的には、まず耐圧容器中に液化二酸化炭素を導入することで、耐圧容器中の湿潤ゲル中の溶媒を液化二酸化炭素に置換する。次に、圧力と温度を臨界点以上に上げることで超臨界状態とし、温度を保ったまま徐々に二酸化炭素を放出して乾燥を完了させる。
【0105】
凍結乾燥法は、湿潤ゲル中の溶媒を凍結させた後に、昇華により溶媒を除く乾燥方法である。液体状態を経ず、ゲル中に気液界面を生じず毛管力が働かないために乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。
【0106】
凍結乾燥法に用いられる溶媒は、凝固点での蒸気圧が高いものが好ましく、第3ブタノール、グリセリン、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、パラ−キシレン、ベンゼン、フェノールなどが挙げられる。これらのなかでも、融点における蒸気圧が高いという点から、特に第3ブタノール、シクロヘキサンが好ましい。
【0107】
凍結乾燥時には、湿潤ゲル中の溶媒を、上記の凝固点での蒸気圧が高い溶媒に置換しておくことが効果的である。また、ゲル化時に用いる溶媒を、凝固点での蒸気圧が高い溶媒にしておけば、溶媒置換を省略して効率的な製造が可能となるためより好ましい。
【0108】
乾燥は、疎水化工程の後に行ってもよいし、疎水化工程の前に行ってもよい。乾燥工程を経た後で疎水化する場合は、乾燥ゲルを溶液中ではなく、疎水化剤の蒸気にさらすことで乾燥ゲル表面に疎水基を導入する。従って、使用する溶媒量が減少するという効果を奏する。
【0109】
この時使用する、疎水化剤としては、上述の疎水化剤を用いることができるが、反応性の高さからトリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラン等のクロロシラン化合物が最も好ましい。また、クロロシラン化合物以外の疎水化剤を用いる場合は、アンモニアや塩化水素等の気体状態で導入可能な触媒を用いることも有効である。
【0110】
また、気相で疎水化を行う場合は、溶媒や疎水化剤の沸点に制限を受けずに疎水化時の温度を高めることができる。従って、気相での疎水化は、反応を早めるために有効である。また、湿潤ゲルが薄膜や粉体であれば、疎水化剤蒸気の浸入が容易であり、薄膜の場合は溶媒量削減の効果も大きいためより好ましい。
【0111】
また、再構築工程と疎水化工程とを同時に行うことも可能である。この場合二つの工程を同時に進めるために、短時間で乾燥ゲルからなる多孔体が得られるという効果が得られる。
【0112】
再構築工程兼疎水化工程は、具体的には、第1ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを、再構築工程で用いる再構築ゲル原料溶液と疎水化剤とを混合した処理液に浸漬することで実施する。こうすることで、ゲルの再構築と疎水化が同時に進行する。再構築原料、疎水化時の疎水化剤は、上述のものと同じものを用いることが可能である。例えば、水ガラスから電気透析により得られるケイ酸水溶液から第1ゲル化を行った後、得られた湿潤ゲルを、水溶性溶媒を用いること等により、ゲル原料であるアルコキシシランと、疎水化剤であるシラザン化合物等とを溶解させた溶液中で、再構築と疎水化とが同時に行われる。
【0113】
上記のように再構築工程と疎水化工程とを同時に行う場合、溶解性等を満たせば特にこれらのゲル原料や疎水化剤の組み合わせに制限されるものではない。また、疎水化剤として、アルキル基を有する、多官能のアルキルアルコキシシラン、クロロシラン、アルキルシラノールを用いると、アルキル基がゲル骨格の中に導入されるため、ゲルに柔軟性が付与され、脆さが改善されるという効果も奏する。このとき、ゲル骨格の中心部は堅く、周辺部は柔軟性を有した特徴的な構造を有することになる。
【0114】
上述のようにして、固体骨格の表面が疎水性を有する乾燥ゲルを得ることができる。また、上述の製造プロセスにおいて、疎水化工程を省略することによって、固体骨格の表面が親水性を有する乾燥ゲルを得ることができる。再構築工程を経た湿潤ゲルは微細な細孔が減少し、且つ固体骨格が太くなっているので、表面が親水性のままで乾燥処理(加熱乾燥を含む)を行っても、ゲルの収縮や割れの発生が抑制される。例えば、金属酸化物で固体骨格を形成する場合、固体骨格の表面が親水性の良好な乾燥ゲルを得ることができる。
【0115】
(粉砕工程)
上述のようにして得られた乾燥ゲルを公知の方法で粉砕することによって、乾燥ゲル粉末を得る。粉砕は、例えば、ブレンダー(例えば、ウォーリング社製、700S型)を用いて実行される。乾燥ゲル粉末の粒径は、特に限定されず、数十ミクロンメーターオーダー以下の粉末であってもよい。粉砕の容易性の観点からは、1μm以上100μm以下の範囲の乾燥粉末を用いることが好ましい。また、粒径の分布は幅が広い方が充填性が向上するので好ましい。
【0116】
また、粉砕工程は、第1ゲル化工程から乾燥工程までの間に行っても良い。他例えば、第1湿潤ゲルを作製しながら、あるいは、第1湿潤ゲルが作製された後、その溶液中で撹拌等によって第1湿潤ゲルを粉砕しても良い。このように、第1湿潤ゲルの段階で粉砕しておくと、後の再構築工程および/または乾燥工程における処理効率が向上するという利点が得られる。また、第1ゲル原料溶液を貧溶媒中に分散した状態で、第1ゲル化工程を行うことによって、粒子上の湿潤ゲルを得ることもできる。
【0117】
(バインダ組成物)
乾燥ゲル粉末の溶媒親和性(親水性または疎水性)によって、および/または成形体の用途によって、バインダ組成物(バインダおよび溶媒)を選択する。上記の乾燥ゲルは耐溶媒性に優れるので、種々のバインダ組成物を用いることができる。
【0118】
バインダ組成物と乾燥ゲル粉末とを混合して成形用の組成物を得る方法は、公知の方法で実行できる。例えば、乳鉢やボールミル、ホモジナイザーなどを用いて混合することができる。
【0119】
また、成形用の組成物中に補強材を混合してもよい。あるいは、補強材中に上記成形用組成物を流し込んで、補強材を含有した成形体を形成することもできる。好適に用いられる補強材としては、ハニカム構造体や、ガラス繊維もしくは鉱物繊維、有機繊維(例えば、ポリエステル系繊維、アラミド系繊維、ナイロン系繊維等の合成繊維の他に天然繊維)あるいは、これらの繊維からなる繊維布や不織布等の繊維集合体も使用することができる。また、ポリウレタン系、ポリエステル系、塩化ビニル系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、シリコーン系等のフォームも用いることができる。
【0120】
また、成形体の表面に保護膜を形成してもよい。保護膜を形成することにより、表面の強度が上昇し、取り扱いがより容易になる効果がある。
【0121】
(疎水性乾燥ゲル粉末を含む成形体)
疎水性を有する乾燥ゲル粉末と疎水性のバインダ組成物とを用いて成形体を作製する実施形態を説明する。ここで言う疎水性を有する乾燥ゲル粉末とは、乾燥ゲル粉末を水と混ぜたときに、乾燥ゲル粉末が水に浮き、細孔内部に水が実質的に浸入しない乾燥ゲル粉末のことを意味する。このような疎水性は、上記の疎水化工程を行うことによって付与され、無機酸化物系の乾燥ゲルであれば容易に疎水性を付与することが可能である。また、有機系のゲルでも、上述した疎水化剤と反応するものであれば疎水性を付与することができる。
【0122】
乾燥ゲル粉末が疎水性を有している場合、従来の成形法では、ゲルの細孔内に成形用の組成物中の有機溶媒が浸入、乾燥する際に、ゲルの収縮が起こり、成形体の密度が上昇する。これに対し、本実施の形態では、2nm以上40nm以下の細孔に対応する細孔容積が1.0cm3/g以下と小さい乾燥ゲル粉末を用いることによって、細孔径に比例する毛管力が低減され、ゲルの収縮が抑制される。
【0123】
バインダとしては、有機溶媒に溶解するものであれば使用することができる。上述したように、ケイ素樹脂系、アクリル樹脂系、ビニル樹脂系、酢酸ビニル樹脂系、フェノール樹脂系、セルロース系等の一般的なバインダが使用可能である。
【0124】
また、従来の疎水性乾燥ゲルを用いた場合、ゲルが疎水性を有しているため細孔内に水は侵入しないが、有機溶媒と水との混合溶媒がゲルの細孔内に侵入することがある。水を含有した溶媒が細孔中で気液界面を生じる場合に発生する毛管力は大きく、従来の乾燥ゲルからなる成形体では収縮が顕著であるが、本発明の実施形態の乾燥ゲルを用いるとこのような場合においても成形体の収縮が抑制される。
【0125】
(親水性乾燥ゲル粉末を含む成形体)
親水性を有する乾燥ゲル粉末と親水性のバインダ組成物とを用いて成形体を作製する実施形態を説明する。ここで言う親水性を有する乾燥ゲル粉末とは、水中に乾燥ゲル粉末を投じたときに、水を吸収する乾燥ゲル粉末を指す。
【0126】
乾燥ゲル粉末が親水性を有している場合、従来の成形法では、ゲルの細孔内に成形用の組成物中の水や有機溶媒が浸入し、この侵入の際および乾燥する際に、ゲルの収縮が起こり、成形体の密度が上昇する。本実施の形態では、2nm以上40nm以下の細孔に対応する細孔容積が1.0cm3/g以下と小さい乾燥ゲル粉末を用いることによって、溶媒中に水が含まれる場合でも、細孔径に比例する毛管力が低減されてゲルの収縮が抑制される。
【0127】
また、従来の乾燥ゲルからなる成形体の製造方法では、低密度の成形体を得るためには、ゲル中への溶媒の浸入を防ぐことが必要であり、そのためには疎水性の乾燥ゲルと水系の溶媒を用いたバインダを組み合わせるしかなかった。乾燥ゲルが疎水性を有する場合は、ゲル表面には、低エネルギーの表面を形成するアルキル基などの疎水性の有機基によって覆われているため、バインダの持つ極性基との間の引力的な相互作用弱く、バインダによる結合力(接着力)が低下する。
【0128】
それに対し、本実施形態のように、乾燥ゲル粉末が親水性を有する場合は、バインダの持つ極性基との間に引力的な相互作用が強く働くため、バインダによる結合力が強くなる効果がある。さらに、乾燥ゲルの固体骨格の表面にある極性基が、バインダの持つ極性基と反応して結合を形成する場合は、より強度の高い成形体が得られる。例えば、乾燥ゲル粉末の表面に水酸基が存在し、親水性を示している場合、例えば、バインダの持つイソシアネート基、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基、メトキシメチル基等と反応することによって、ウレタン結合、エーテル結合、エステル結合、メチレン結合を形成する。
【0129】
本実施形態で用いられるバインダとしては、上述したものを用いることができるが、特に水酸基等の極性基を有するバインダが好ましい。
【0130】
本実施形態で使用される乾燥ゲル粉末としては、親水性を有していれば有機、無機にかかわらず、上述の乾燥ゲル粉末を用いることができる。特に、酸化ケイ素等からなる金属酸化物系の乾燥ゲル粉末の場合、表面に多数の水酸基を有しているため、好適に使用できる。また上記金属酸化物系の乾燥ゲルの場合、バインダは、上述の様にイソシアネート基、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基、メトキシメチル基を持つものの他に、シラノール基あるいは、加水分解等によってシラノール基を生じる、シラノール系、アルコキシシラン系のバインダを用いれば、シラノール基の縮合による結合の形成が容易であるため好ましい。
【0131】
また、既に述べたように、親水性を有する乾燥ゲル粉末を成形した後に、残存している水酸基に対して、疎水化剤を気相で作用させることで反応させて、疎水性を付与することも可能である。
【0132】
以下に、具体的な実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明は、以下で用いた特定のゲル原料、ゲル化触媒等の原材料の種類、溶媒、バインダ等の内容に必ずしも制限されるものではない。
【0133】
【実施例】
《実施例1および比較例1》
本実施例では、疎水化した乾燥ゲル粉末と有機溶剤およびバインダとを混合した成形用組成物を作製し、これを用いて成形体を作製した。
【0134】
(1)第1ゲル化工程
まず、テトラエトキシシラン/エタノール/水/塩化水素=1/15/1/0.00078(モル比)で混合して、65℃の恒温槽に3時間に置くことにより、テトラエトキシシランの加水分解を進行させた。次に、さらに、水/NH3=2.5/0.0057(テトラエトキシシランに対するモル比)を加えて混合し、1日間50℃恒温槽中に置き、ゲル化を進行させ、湿潤ゲルを得た。この時点で、湿潤ゲルを切断し、10mm×10mm×3mmの形状とした。
【0135】
(2)再構築工程
再構築原料(第2ゲル原料)としてテトラエトキシシラン、再構築触媒(第2触媒)としてアンモニア水を用いた。ゲル化第1工程で得られた湿潤ゲルを、テトラエトキシシラン/エタノール/アンモニア水=60/35/5(体積比)で混合して得られる再構築原料溶液(第2ゲル原料溶液)に浸積して70℃恒温槽中で処理を行った。処理時間は、9時間、10.5時間、13時間、24時間の3つの場合を別々に行った。アンモニア水は0.1Nのものを用い、第2ゲル原料溶液は、湿潤ゲル体積の20倍量を使用した。
【0136】
(3)疎水化工程
再構築工程で得られた湿潤ゲルを、ゲル体積の5倍体積のイソプロピルアルコールに浸漬して2回洗浄を行った。この湿潤ゲルを、ジメチルジメトキシシラン/イソプロピルアルコール/アンモニア水=45/45/10(重量比)を混合して得られる疎水化液に40℃で1日間、混合しながら疎水化処理を行った。疎水化液としては、湿潤ゲルの体積の20倍量を使用した。
【0137】
(4)乾燥工程
最後に、疎水化されたゲルを、ゲル体積の5倍体積のイソプロピルアルコールに浸漬して2回洗浄を行った。次に、ゲルを耐圧容器の中に入れ、この容器中に液化二酸化炭素を流通させることで、ゲル内のイソプロピルアルコールを液化二酸化炭素に置換した。次に、容器内にさらに液化二酸化炭素をポンプで送り込むことにより、容器内の圧力を10MPaまで上昇させた。その後、50℃まで昇温することで容器内を超臨界状態とした。次に、温度を50℃に保ったまま、圧力をゆっくりと開放することで乾燥を完了した。
【0138】
(5)粉砕工程
得られた乾燥ゲルをブレンダー(ウォーリング社製)を用いて粉砕して粉末とした。得られた乾燥ゲル粉末の平均粒径は、25μmであった。
【0139】
得られた乾燥ゲルの密度、2nm以上40nm以下の細孔に対応する細孔容積、比表面積を測定した。密度は、重量測定と、乾燥ゲルを水に浸漬した際の浮力から体積を求めて、この値から算出した。細孔容積および比表面積は、窒素吸着法によりBJH法、BET法を適用して算出した。
【0140】
再構築工程の処理時間が、9時間、13時間、24時間の順に、密度(150kg/m3、250kg/m3、420kg/m3)、細孔容積(0.9cm3/g、0.5cm3/g、0.3cm3/g)、比表面積(390m2/g、270m2/g、180m2/g)であった。
【0141】
(6)成形体の作製
上記のプロセスで得られた乾燥ゲル粉末100gと、バインダとしてN−メトキシメチルポリアミドであるファインレジンFR−101((株)鉛市製)15gおよびメタノール200g、マレイン酸0.2gとを乳鉢を用いて混合して、スラリー状の成形用組成物を作製した。
【0142】
この組成物の1部を、底面が3cm×3cmの型に流し込み、50℃でメタノールを蒸発させて乾燥し、さらに、120℃で1時間加熱することで、上記のメトキシメチル基とアミド基との水素との間で脱メタノール反応により架橋を形成して成形体を形成した。
【0143】
得られた成形体の密度を、その質量と、形状から決まる体積とから算出した。算出された密度は、再構築工程の時間が、9時間、13時間、24時間のものが、順に140kg/m3、220kg/m3、360kg/m3であった。
【0144】
(比較例1)
比較のために、テトラエトキシシラン/エタノール/水=1/1/4(モル比)を混合して室温にてゲル化を進行させた。水は0.1Nアンモニア水の形で添加混合した。その後、実施例1と同様にして疎水化、乾燥を行った後に、粉砕して乾燥ゲル粉末を得た。但し、乾燥時には、ゲルの収縮を押さえるために、イソプロピルアルコールではなく、ゲル内の溶媒をヘキサンに置換した後、乾燥を行った。得られた乾燥ゲル粉末の密度は290kg/m3であった。
【0145】
この乾燥ゲル粉末を用いて、実施例1と同様に、成形体を作製した。得られた成形体の密度は、480kg/m3であった。
【0146】
このように、実施例1では、比較例1に比べて、使用した乾燥ゲル粉末の密度が高い場合でも、成形体の密度は、低いものが得られた。これは、比較例1では、乾燥ゲル粉末が持つ微細な細孔のために、細孔に侵入した溶媒が乾燥工程において除去される際にゲルの収縮が進行したのに対し、実施例1では、乾燥ゲル粉末が微細な細孔を僅かしか有しなしため、乾燥時の収縮が抑制されたためと考えられる。
【0147】
《実施例2および比較例2》
本実施例では、疎水化された乾燥ゲルと溶媒としての水、バインダとしてフェノール樹脂とを混合して、成形用組成物を作製し、これを用いて成形体を作製した。
【0148】
実施例1において作製した、再構築工程の処理時間が24時間の乾燥ゲル粉末100gと、バインダとしてフェノール樹脂であるフェノライトPG−580(大日本インキ化学工業(株))30gと、水200gとを乳鉢を用いて混合して、スラリー状の成形用組成物を作製した。
【0149】
この組成物の1部を、底面が3cm×3cmの型に流し込み、80℃で水を蒸発させて乾燥し、さらに、150℃で2時間加熱することで、架橋促進して成形体を形成した。
【0150】
得られた成形体の密度は、380kg/m3であった。
【0151】
(比較例2)
乾燥ゲル粉末として、テトラエトキシシラン/エタノール/水=1/3/4(モル比)を用いて湿潤ゲルを作製した以外は、比較例1と同様にして乾燥ゲル粉末を得た。乾燥ゲルの密度は、210kg/m3であった。
【0152】
上記の乾燥ゲル粉末を用いて、実施例2と同様にして、成形体を作製した。得られた、成形体の密度は、620kg/m3であった。
【0153】
このように、実施例2では、比較例2に比べて、使用した乾燥ゲルの密度が高いにもかかわらず、成形体の密度は低くなった。これは、比較例2では、乾燥ゲル粉末が有する微細な細孔に表面張力が大きい水が浸入することにより、より大きな毛管力が生じて、乾燥ゲルの収縮が進行したのに対し、実施例2では、乾燥ゲル粉末が微細細孔を僅かしか有しないため、収縮が抑制されたためと考えられる。
【0154】
《実施例3および比較例3》
本実施例では、親水性を有する乾燥ゲル粉末と有機溶剤およびバインダとを混合した成形用組成物を作製し、これを用いて成形体を作製した。
【0155】
実施例1のプロセスにおいて、再構築工程の処理を24時間行った後、疎水化工程を省略して、乾燥を行うことで得られた乾燥ゲル粉末を用いた他は、実施例1と同様にして成形体を得た。
【0156】
上記の乾燥ゲル粉末および成形体の密度を、質量の測定と、形状から体積を求めることにより算出した。乾燥ゲル粉末の密度は、390kg/m3、成形体の密度は、360kg/m3であった。
【0157】
(比較例3)
比較例2と同様にして、乾燥ゲル粉末を作製した。但し、乾燥工程は、ゲル内の溶媒をエタノールに置換して自然乾燥することによって行った。こうして得られた乾燥ゲル粉末の密度は370kg/m3であった。
【0158】
この乾燥ゲル粉末100gと、シリコーン系界面活性剤TSD−4522(東芝シリコーン社製)3gおよびバインダとして界面活性剤含有ウレタン系エマルジョン(ゼネカ社製、RU―40―570)を固形分として、乾燥ゲル粉末の質量の15%となるように混合してスラリー状の成形用組成物を作製した。
【0159】
この組成物を用いて、実施例3と同様にして成形体を得た。但し、成形に際しては、80℃で水を蒸発させて乾燥を行った後、90℃にて1日間放置することで成形を行った。得られた、成形体の密度は390kg/m3であった。
【0160】
また、実施例3と比較例3で得られた成形体とを互いに重ねて、両側から圧力をかけたところ、比較例3の成形体が先に変形、割れを生じた。また、両方の成形体を水に浸漬し乾燥したところ、実施例3の成形体には密度変化がなかったが、比較例3の成形体では、2割以上の密度上昇が起こった。
【0161】
このように、実施例3の成形体の強度が高いのは、乾燥ゲル粉末の外部をバインダが覆い、且つ細孔の内部にバインダが侵入していることにより、乾燥ゲル粒子間の結合および乾燥ゲル粉末そのものの強度が増大しているのに加え、乾燥ゲル粉末の固体骨格表面の水酸基とバインダの持つメチロール基との間で縮合が起こり、強固な結合が実現されているためと考えられる。
【0162】
【発明の効果】
本発明によると、従来よりも強度が向上した、乾燥ゲルを含む成形体およびその製造方法が提供される。
【0163】
本発明の成形体は、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm3/g以下である乾燥ゲル粉末を含むので、溶媒やバインダが細孔に侵入しても、ゲルの収縮や割れが発生しないので、強度の高い成形体を得ることができる。
【0164】
本発明によると、疎水性を有する乾燥ゲル粉末を用いても、親水性を有する乾燥ゲル粉末を用いても、従来よりも低密度の成形体を得ることができる。
【0165】
本発明による成形体は、低密度で従来よりも強度が高く、さらに、使用時の耐溶剤性も優れている。従って、本発明による成形体は、断熱材や音響整合層等に好適に適用され、使用環境の制限が大幅に緩和されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による実施形態の乾燥ゲルの製造方法を説明するための模式図である。
【図2】(a)本発明による実施形態の乾燥ゲルの製造方法における第1固体骨格を模式的に示す図であり、(b)は再構築工程を経て得られた第2個体骨格を模式的に示す図である。
【図3】(a)〜(e)は、再構築原料溶液(実施例1)に生成される粒子の粒度分布を測定した結果を示すグラフである。
【図4】(a)は、種々の乾燥ゲルについてBJH法によって求めた累積細孔曲線(細孔容積(cm3/g)と細孔径(細孔直径)との関係)を示すグラフであり、(b)は微分細孔曲線である。
【符号の説明】
1 第1ゲル原料溶液
2 第1湿潤ゲル
3 再構築原料溶液(第2ゲル原料溶液)
4 第2湿潤ゲル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a molded article including a low-density dry gel used for a heat insulating material, a sound absorbing material, a catalyst carrier, an insulating material, an acoustic matching layer of a transducer such as an ultrasonic wave, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A dry gel is obtained by mixing a gel raw material, water, a solvent, and a gelation catalyst to form a wet gel, and then removing the solvent by drying. However, during drying, the gel contracts due to the capillary force generated in the pores. At this time, the contracted state is fixed by bonding of hydroxyl groups present in the pores of the gel.
[0003]
In order to prevent this, the contact angle θ of the solid-liquid interface is increased by modifying the surface of the wet gel with an organic silyl group to make it hydrophobic, which is proportional to γ cos θ (γ is the surface tension of the liquid in the wet gel). A method for reducing the capillary force is disclosed in
[0004]
According to Non-Patent
[0005]
On the other hand,
[0006]
The porous body made of the low-density dry gel obtained as described above has a low density, a large specific surface area, a fine pore structure, a low dielectric constant, and a low acoustic impedance, so that a heat insulating material, a sound absorbing material, and a catalyst carrier. It is used for interlayer insulating materials such as LSIs, acoustic matching layers of ultrasonic transducers, and the like.
[0007]
For example, as a heat insulating material, solid heat conduction is reduced because of its low density. In addition, since it has a finer pore structure, it exhibits excellent heat insulation performance. Moreover, higher heat insulation performance is exhibited by containing it in a decompressed container. This heat insulating material is used, for example, for heat insulation of a thermal home appliance or a house.
[0008]
When used for the above-mentioned heat insulating material and other applications, as a form of use, it is used by filling a container or the like as a dry gel powder. Furthermore, it is preferable in terms of handling that the powder is molded with a binder. In the present specification, “powder” broadly includes those composed of particles and / or granules. Unless otherwise specified, the term “particle” is used as a term representing a constituent element of a powder and includes “granule”.
[0009]
As the binder, a solid binder or a liquid binder is used. When a solid binder such as a hot melt adhesive is used as the binder, it is difficult to uniformly cover the surfaces of the individual particles constituting the dry gel powder and bond the particles to each other. For this reason, generally, if the amount of the binder component (solid content) excluding the solvent is the same, the liquid binder (binder composition) exhibits a stronger binding force than the solid binder. In the present specification, a material containing a binder and a solvent may be referred to as a “binder composition”.
[0010]
The liquid binder composition can be obtained by dissolving a solid or liquid binder in an organic solvent or water, or by forming an aqueous emulsion or the like. When this liquid binder composition is used, when the dried gel powder has an affinity for a solvent (water or an organic solvent), the solvent penetrates into the pores of the dried gel powder. In this case, as already described, when the solvent enters and is dried, the gel contracts due to the capillary force caused by the gas-liquid interface formed in the pores of the gel. Therefore, it is difficult to obtain a low-density molded body by binding a low-density dry gel powder having a high affinity for a solvent with a liquid binder.
[0011]
In order to suppress the penetration of this solvent, for example, when the dried gel powder has hydrophobicity, it is preferable to use water as the solvent. Specifically, it is preferable to use an aqueous solution of a water-soluble polymer or an aqueous emulsion of a water-insoluble polymer as the binder in a liquid state.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-T 6-510268
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-147664
[Patent Document 3]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-012313 (especially Example 1 and Example 2 in Table 1)
[Patent Document 4]
Japanese Patent No. 3243107 (especially Table 1)
[Non-Patent Document 1]
Journal of Crystalline Solid 186, 104-112, 1995.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional manufacturing method, the low density (particularly the density is 500 kg / m 2). Three There was a problem that the strength of the molded product obtained by bonding the dry gel of the following) with a binder was weak. That is, when a solvent or a binder enters into the pores of the dried gel, shrinkage or cracking of the dried gel occurs, and it is necessary to suppress this.
[0014]
This invention is made | formed in view of said various points, The main objective is to improve the intensity | strength of the molded object containing a dry gel with low density.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a molded product of the present invention is a method for producing a molded product containing a dry gel, wherein the pore volume in the range of the pore diameter of 2 nm to 40 nm is 1 cm. Three Including a step of preparing a dry gel powder that is less than / g, a step of preparing a binder composition containing a binder and a solvent, and a step of forming the dry gel powder into a predetermined shape using the binder composition In this way, the above object is achieved.
[0016]
In one embodiment, the method includes a step of allowing the binder to enter into pores of the dry gel powder.
[0017]
In one embodiment, the dry gel powder is hydrophobic and the solvent is an organic solvent.
[0018]
In one embodiment, the dry gel powder has hydrophilicity.
[0019]
In one embodiment, the solid skeleton of the dry gel powder is formed from an inorganic material.
[0020]
In one embodiment, the inorganic material includes silicon oxide.
[0021]
In one embodiment, the step of producing the dry gel powder includes preparing a first gel having a first solid skeleton and first pores, decomposing at least a part of the first solid skeleton, and A restructuring step of forming a second solid skeleton thicker than the first solid skeleton, a step of obtaining a dry gel by drying the gel obtained by the restructuring step, and a step of pulverizing the dry gel Include.
[0022]
The molded body of the present invention is a molded body including a dry gel powder and a binder, and the pore volume of the dry gel powder having a pore diameter in the range of 2 nm to 40 nm is 1 cm. Three / G or less.
[0023]
It is preferable that the binder penetrates into the pores of the dry gel powder.
[0024]
The composition of the present invention is a composition comprising a dry gel powder, a binder, and a solvent, wherein the dry gel powder has a pore volume of 1 cm in a pore diameter range of 2 nm to 40 nm. Three / G or less.
[0025]
It is preferable that the solvent penetrates into the pores of the dry gel powder.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the molded object containing the dry gel of embodiment by this invention and its manufacturing method are demonstrated.
[0027]
The molded body containing the dried gel of the embodiment according to the present invention has a pore volume of 1 cm in a pore diameter range of 2 nm to 40 nm. Three / G or less of dry gel powder and binder.
[0028]
As a result of the study of the present invention, the pore volume with a pore diameter in the range of 2 nm to 40 nm is 1 cm. Three The dry gel powder of less than / g is suppressed from shrinkage and cracking due to capillary force even if the solvent enters the pores (this property is sometimes referred to as “solvent resistance”). This effect is particularly noticeable for low density dry gels. This is because, despite the low density and weak strength, there are fewer fine pores than the conventional dry gel, and the capillary force proportional to the pore diameter can be reduced. Specifically, for example, the density is 200 kg / m. Three In the case of a low-density dry gel of the order, the pore volume of 2 nm to 40 nm is 2.5 cm in the conventional one Three / G but about 1 cm for the dry gel used in the present invention. Three / G or less. The dry gel powder has a density of 50 kg / m. Three 500 kg / m or more Three The pore volume between 2 nm and 40 nm is 0.5 cm. Three / G or less is particularly preferable.
[0029]
When dry gel powder with a small fine pore volume as described above is used, there is no deterioration in properties due to shrinkage or cracking of the dry gel even if a solvent or binder enters the pores. A molded body having high strength can be obtained. That is, in the conventional low-density dry gel, it was necessary to prevent the solvent and binder from entering the pores. However, when the above-mentioned dry gel is used, the binder is actively infiltrated into the pores, Strength can be improved. The factors that improve the strength of the compact are the improvement in strength as a bulk of the compact by spreading the binder to every corner of the compact and the strength of the gel particles by the penetration of the binder into the pores of the dried gel. There is an improvement.
[0030]
In addition, the above-mentioned dry gel powder has excellent solvent resistance not only to hydrocarbon-based hydrophobic solvents but also to hydrophilic solvents typified by water, so a liquid binder composition containing various solvents Can be used.
[0031]
In addition, since the surface of the solid skeleton of the dried gel powder is not only hydrophobic but also hydrophilic, it can be appropriately selected according to the type of solvent. That is, conventionally, the surface of the solid skeleton of the gel is made hydrophobic in order to suppress the shrinkage of the gel during drying, and the hydrophilic binder composition (aqueous system) is used to prevent the solvent from entering the pores. However, according to the present invention, there are no such restrictions, and various combinations are possible.
[0032]
The particle size of the dry gel powder is not particularly limited, and may be a powder of the order of several tens of micrometers. The material is not particularly limited, and an inorganic gel or an organic gel is used. Organic materials include phenolic, melamine and amide. In addition, various inorganic oxides can be used as long as they are inorganic materials, and there are oxides such as titanium, silicon, vanadium, aluminum, and zirconium.
[0033]
Among these, it is preferable that the main component of the dry gel is silicon oxide. This is due to the following reason. As described later in the production method, silicon oxide is obtained from an inexpensive water glass-based gel raw material, so that the production cost is reduced. In addition, since the alkoxide of silicon is milder in reactivity than other metal alkoxides, the reaction can be easily controlled, and a porous body made of a dried gel can be obtained more easily.
[0034]
The binder used in the present invention is preferably used in a state dispersed or dissolved in a solvent. As the solvent, water and organic solvents (including mixed solvents) are used, and there is no particular limitation as long as it dissolves and disperses the binder. For example, the binder using water as a solvent includes starch, cellulose, melamine, phenol resin, isocyanate, resorcin, vinyl acetate resin emulsion, and acrylic resin emulsion. Examples of the binder using an organic solvent as a solvent include silicon resin (silicone resin), acrylic resin, vinyl resin, vinyl acetate resin, phenol resin, and cellulose. Among these, what forms a crosslinked structure by heating, light irradiation, and catalytic action at the time of dry molding is preferable because a stronger one can be obtained.
[0035]
The manufacturing method of the molded object containing the dry gel of embodiment by this invention includes the following processes.
[0036]
The volume of the pores having a pore diameter in the range of 2 nm to 40 nm as described above is 1 cm. Three A dry gel powder that is less than or equal to / g is prepared, and a binder composition containing a binder and a solvent is prepared. The dry gel powder is molded into a predetermined shape using this binder composition.
[0037]
After mixing the dried gel powder and the binder composition, the composition is formed into a predetermined shape. For example, a block-shaped or film-shaped molded body can be obtained by pouring a composition containing a dry gel powder into a mold, coating, or printing. Alternatively, after the dry gel powder is filled into a mold having a predetermined shape, the binder composition may be filled (injected) into the mold.
[0038]
Thereafter, by drying the solvent contained in the composition, a binder enters the pores of the dried gel powder, and a molded body in which the dried gel particles are bonded is obtained. At this time, before the solvent is dried or when the solvent is dried, the binder is polymerized by light irradiation, heat, or addition of a catalyst to obtain a stronger molded body. The binder is preferably about 30% or less of the mass of the dried gel powder so as not to excessively increase the density of the molded body.
[0039]
Since the molded body containing the dried gel thus obtained has a low density, it has high heat insulation when used as a heat insulating material, and low in air and various gases when used in an acoustic matching layer of an ultrasonic transducer. Matching to acoustic impedance is easy. Furthermore, since the strength is higher than the conventional one, the handleability is excellent, and there is an effect that the application to the above-mentioned use is easy. In addition, since shrinkage and cracking due to contact with water and organic solvents are suppressed, restrictions on the usage environment are greatly eased when applied to heat insulating materials, acoustic matching layers, sound absorbing materials, catalyst carriers, insulating materials, etc. There is an effect.
[0040]
Moreover, the composition obtained by mixing the above-mentioned dry gel powder, binder, and solvent typically has a dry gel dispersed in a slurry form. The binder component (solid content) in the composition is preferably adjusted to about 30% by mass or less with respect to the mass of the dried gel so that the density of the molded body after drying does not increase excessively. Also, since the binder and solvent penetrate into the pores of the dry gel, the dry gel powder can be easily removed from the composition as in the case of dispersing the conventional hydrophobized dry gel particles in the aqueous emulsion binder composition. Thus, a stable composition can be obtained without floating or separating, and the workability of the molding process is also improved.
[0041]
(Dry gel powder)
First, the dry gel powder used suitably for the molded object containing the dry gel by this invention and its manufacturing method are demonstrated in detail.
[0042]
Below, the effect of the present invention is remarkable, and the density is 500 kg / m. Three The method for producing the following dry gel is exemplified, but using the production method of the present invention, 500 kg / m Three It is also possible to produce dried gels of super density.
[0043]
The step of producing a dry gel in the method for producing a molded article including a dry gel according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing a first gel having a first solid skeleton and a first pore, A restructuring step (also referred to as a second gelation step) that decomposes at least a part and forms a second solid skeleton thicker than the first solid skeleton. The 1st gel can use what was manufactured by the well-known method.
[0044]
The restructuring step is executed by a step of bringing the first gel into contact with a restructuring raw material solution (also referred to as a “second gel raw material solution”) that generates particles having a particle size of 10 nm to 100 nm.
[0045]
The step of preparing the first gel can be performed by a known method, for example, a sol-gel from a first gel raw material solution containing a first gel raw material, a first catalyst (gelation catalyst), and a first solvent. Producing a first wet gel by the method. This process may be referred to as a first gelation process. Here, the density after drying is 500 kg / m. Three The following wet gel is prepared.
[0046]
In the restructuring step, the restructuring raw material solution (second gel raw material solution) in contact with the first gel is, for example, a restructuring raw material (second gel raw material), a restructuring catalyst (second catalyst), water, And a restructuring solvent (second solvent). The restructuring raw material may be the same as the first gel raw material, and the restructuring catalyst may be the same as the first catalyst. The restructuring raw material solution needs to contain water, and it is preferable to use a solution in which particles having a particle size of 10 nm to 100 nm are generated in the restructuring raw material solution.
[0047]
It is preferable that the 1st gel contacted with a reconstruction raw material solution is a wet gel (1st wet gel). As illustrated here, the density after drying is 500 kg / m. Three When the wet gel is dried, the gel may crack in the process. However, when the wet gel is left in contact with the reconstituted raw material solution, the density of the first gel is low even if it is a low-density gel. Occurrence of cracks due to rising or collapse of the solid skeleton is prevented. When the final dry gel is used in the form of powder (including granules), the wet gel may be dried and then subjected to a reconstruction process. In this case, it is preferable to hydrophobize the surface of the solid skeleton of the first gel. This hydrophobizing step can be performed by a known method.
[0048]
This reconstruction process is not limited to one time, and may be executed a plurality of times stepwise. In addition, the second wet gel formed by the restructuring step is brought into contact with an aqueous solution containing the third catalyst to further decompose a part of the second solid skeleton, and further to a gel reinforcing step for increasing the strength of the second solid skeleton. You may have.
[0049]
Moreover, the process of hydrophobizing the surface of the obtained 2nd solid frame | skeleton may further be included, and a hydrophobization process may be performed after a reconstruction process, and it performs by the same process as a reconstruction process. Also good. Of course, the hydrophobizing step may be performed after the second wet gel having the second solid skeleton obtained by the restructuring step is dried.
[0050]
An outline of the mechanism by which a dry gel that hardly undergoes shrinkage and / or cracking due to contact with an organic solvent or the like by the method for producing a dry gel in the embodiment of the present invention will be described.
[0051]
First, in the first gelation step, the solid skeleton of a wet gel having a relatively low density (for example, the density after drying is 500 kg / m 2). Three In the restructuring step (second gelation step), a monomer or oligomer that becomes the restructuring raw material (second gel raw material) is polymerized on the first solid skeleton formed in the first gelation step. The fine particles thus formed are mainly polymerized to reinforce the thin portions of the first solid skeleton and form a second solid skeleton that is thicker than the first solid skeleton, while the density increases. In this way, after forming the solid skeleton of the gel once, it has a gelation step again, so it is possible to improve the density in the state of a wet gel, and it is also possible to obtain a high-density dry gel that was not obtained conventionally Become.
[0052]
In the reconstruction process, the decomposition (dissolution) of the first solid skeleton also proceeds in parallel with the increase in density due to the above-described polymerization. That is, hydrolysis of the first solid skeleton occurs in parallel due to the presence of water in the restructuring raw material solution and the restructuring catalyst (second catalyst). Therefore, the fine pore structure of the first gel disappears, and the reconstruction of the gel structure having the second solid skeleton thicker than the first solid skeleton and the coarse pores is promoted.
[0053]
In addition, according to the manufacturing method of the embodiment of the present invention, the shrinkage of the wet gel that progresses during gelation is suppressed, and therefore, when a dry gel is formed on a substrate or the like, cracks and dropping off from the substrate are reduced. Effect is obtained. This can be explained as follows.
[0054]
In general, during gelation, as the cross-linking progresses, the gel with a higher initial density causes a reduction in size due to shrinkage. However, since the manufacturing method of the dry gel of embodiment of this invention has a 1st gelation and a reconstruction process, the gel density in the 1st gelation process required in order to obtain a gel of a fixed density is obtained. As a result, shrinkage in the first gelation step can be suppressed.
[0055]
The gel strength can also be improved by the conventional aging treatment in which the first wet gel is left in the solution at a constant temperature without adding the gel raw material to the first gel raw material solution for producing the first wet gel. Are known. In this conventional aging treatment, it is considered that the gel strength increases because dehydration condensation proceeds between the hydroxyl groups in the narrow portion of the first solid skeleton to strengthen the bond. However, in this case, since the gel raw material is not replenished, the effect of thickening the skeleton is small, and a sufficient strength improvement cannot be obtained.
[0056]
In the method described in
[0057]
In any method, since the solid skeleton (first solid skeleton) of the gel formed first is not decomposed, fine pores remain as they are, and the capillary force generated in the pores is reduced. It is thought that it is not done.
[0058]
In the following, embodiments relating to the production method of the present invention will be described in more detail.
[0059]
As shown in FIG. 1, the method for producing a porous body made of a dried gel according to the present embodiment is a step S <b> 1 of preparing a first gel raw material solution (including a first gel raw material, a first catalyst, and a first solvent) 1. And a step S2 for producing the first
[0060]
In the present specification, unless otherwise specified, “pore volume” is the pore volume calculated using the BJH method by the nitrogen adsorption method, and “specific surface area” is the BET method using the nitrogen adsorption method. The specific surface area calculated as above.
[0061]
Each step will be described in turn below.
[0062]
(First gelation step)
In the present embodiment, first, the first
[0063]
As the gel material used in the manufacturing method of the present embodiment, a general material used in the sol-gel method is used. For example, there are oxide fine particles such as silicon, aluminum, zirconium and titanium, and corresponding alkoxides. Among these, a compound containing silicon as a metal is preferable from the viewpoint of availability. In the case of the metal alkoxide, as already described, silicon is preferable from the viewpoint of easy reaction control. For example, tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane and tetraethoxysilane, and silicon alkoxides such as trialkoxysilane and dialkoxysilane are used.
[0064]
Here, since dialkoxysilane is difficult to form a gel by itself, it is used by mixing with other gel raw materials. Furthermore, when these oligomers are used as the gel raw material, the boiling point of the gel raw material is lowered, so that the safety at the time of production is enhanced. In addition, colloidal silica, water glass, and an aqueous silicic acid solution obtained by electrodialysis from water glass are preferably used because of their low price.
[0065]
As the gelation catalyst, a general organic acid, inorganic acid, organic base, or inorganic base is used. Examples of organic acids include acetic acid and citric acid, inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid, organic bases such as piperidine, and inorganic bases such as ammonia. In addition, use of an imine type such as piperidine is more preferable from the viewpoint of reducing capillary force because of the effect of increasing the pore diameter.
[0066]
Examples of the first solvent include lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol and diethylene glycol, mono- or diethers of ethylene glycol and diethylene glycol, lower ketones such as acetone, lower ethers such as tetrahydrofuran and 1,3-dioxolane. Such water-soluble organic solvents are used. In addition, when a gel is formed by hydrolysis or condensation polymerization of the first gel raw material, water necessary for hydrolysis is also added.
[0067]
(Reconstruction process)
Subsequent to the first gelation step, a reconstruction step (S3 to S4 in FIG. 1) is performed. In the restructuring step, a new solid skeleton (second solid skeleton 4) is formed while decomposing some part of the solid skeleton of the first
[0068]
Addition of the restructuring catalyst promotes polymerization and accelerates the growth of a new solid skeleton. Moreover, the addition of water and a restructuring catalyst acts to break down the fine pore structure of the first wet gel by advancing decomposition (dissolution) of the fine particles constituting the solid skeleton of the first wet gel by hydrolysis. Furthermore, this hydrolysis is also accelerated by the restructuring catalyst described above. As described above, since the speed of breaking the old solid skeleton (first solid skeleton) and the speed of forming the new solid skeleton (second solid skeleton) are both very high, the solid with a significant change in pore structure. It is thought that skeleton reconstruction will be possible for the first time.
[0069]
This will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG. 2 (a) is a diagram schematically showing the first
[0070]
The first
[0071]
In contrast, in the second
[0072]
This phenomenon will be described with specific experimental results.
[0073]
FIGS. 3A to 3E are graphs showing the results of measuring the particle size distribution of particles generated in the reconstructed raw material solution (the same composition as in Example 1 described later). The particle size distribution was measured by measuring Doppler shift due to Brownian motion of particles using dynamic scattering. This measurement was performed using a particle size distribution meter (MICROTRAC UPA150) manufactured by Nikkiso Co., Ltd. FIG. 3 (a) shows the
[0074]
3A to 3E show that particles of about 30 nm to 100 nm are formed over several hours to 10 hours in this reconstructed raw material solution. Note that relatively large particles are formed in the initial hours, and many relatively small particles are formed over time. This is thought to be due to an inhomogeneous reaction in the initial stage. Moreover, there is a possibility that the large particles once formed are decomposed over time.
[0075]
When the first wet gel is immersed in such a solution, among the 30 nm to 100 nm particles present in the reconstituted raw material solution, relatively small particles with high reactivity (large specific surface area) are preferentially selected. Polycondensates to a solid skeleton of gel. In parallel with this, the monomer or oligomer is dissolved (hydrolyzed) from the first solid skeleton, so that the reconfiguration of the solid skeleton proceeds.
[0076]
According to the results of various studies, the diameter of the particles contributing to the condensation polymerization depends on the particle size distribution of the treatment liquid, and when the same number of 10 nm to 50 nm particles are distributed, the reconstituted gel is reactive. In the case where almost the same number of particles of 40 nm to 100 nm are distributed, the relatively small particles of about 40 nm to 60 nm are considered to mainly contribute to the condensation polymerization. . Therefore, in order to perform efficient reconstruction, it is considered preferable to use a gel raw material solution that generates particles having a particle size of 10 nm to 100 nm as the restructuring raw material solution.
[0077]
In addition, when the particles are usually large, the reactivity such as polymerization is reduced and the bonding between the particles is weakened. However, according to the production method of the present embodiment, particles of 10 nm to 100 nm are formed in the reconstituted gelling solution. And immediately polymerizes onto the first solid skeleton (bonds to the surface of the first solid skeleton). That is, since the surface of the generated particles reacts with the first solid skeleton in a state of rich reactivity (activity), the reaction proceeds quickly. Furthermore, since the neck portion between the particles constituting the first solid skeleton is highly active and has a high degree of freedom of deformation, this neck portion is particularly likely to be thick, and there is an effect that the bonding between the particles can be strengthened.
[0078]
Next, with reference to FIGS. 4A and 4B, it will be described that a second wet gel having a large pore diameter is formed by the reconstruction process. FIG. 4 (a) shows the cumulative pore curve (pore volume (cm) determined by the BJH method using nitrogen gas. Three / G) and a pore diameter (pore diameter)), and FIG. 4B is a graph showing a differential pore curve. In each figure, the curves C and D show the cumulative and differential pore curves of the first wet gel (after drying), and the curves A, B and E show after the reconstruction process according to the present embodiment, that is, The cumulative and differential pore curves of 2 wet gels (after drying) are shown. A curve F represents a cumulative pore curve of a wet gel (after drying) in which the skeleton of the first wet gel is reinforced by the method described in
[0079]
As is clear from FIGS. 4 (a) and (b), the first wet gel (curves C and D) has a pore volume of 3 cm to 2 nm or more and 40 nm or less. Three / Cm or more, by passing through the reconstruction process of this embodiment, 1 cm Three / G or less (curves A, B and E). Especially for the sample of curve E, 0.4 cm Three / G or less.
[0080]
Thus, it is thought that a part of 1st solid skeleton has collapse | crumbled by hydrolysis because the volume of a pore with a small pore diameter reduces by a reconstruction process.
[0081]
On the other hand, in the method of
[0082]
Furthermore, the pore volume is reduced to 0.5 cm by increasing the treatment time of the reconstruction process or increasing the concentration of the catalyst and / or water. Three / G or less. At this time, the specific surface area is also 300 m. 2 / G or less.
[0083]
This is the structure of the porous body which consists of a preferable dry gel of this invention. In this case, not only shrinkage does not occur due to contact with the organic solvent, but also occurrence of cracks can be avoided. Further, when the reconstituted wet gel is dried, there is an effect that a porous body made of a block-shaped dry gel without cracking and shrinkage can be obtained by ordinary heat drying, without depending on supercritical drying.
[0084]
In addition, the dry gel obtained in this embodiment has a remaining amount of functional groups (functional groups that have not been consumed for gelation) of about several tens of percent less than conventional dry gels. For example, as shown in Table 1, when the first gel is formed using alkoxysilane, the functional group (alkoxy group) in which the dried gel according to the present invention that has undergone the restructuring process remains as compared with the conventional dried gel. And the ratio of silanol groups) is halved. The dry gels exemplified in Table 1 are all hydrophobized with dimethyldimethoxysilane, and the number of Si atoms having a functional group is 29 It determined by Si-NMR measurement.
[0085]
[Table 1]
[0086]
In general, a gel formed using alkoxysilane has a small number of particles forming a solid skeleton and a large number of functional groups on the particle surface that do not contribute to polymerization. According to the manufacturing method of the present embodiment, the surface area is reduced because the particles of 10 to 100 nm formed in the restructured gel raw material solution mainly form a new skeleton, that is, bind to the surface of the solid skeleton of the first gel. Accordingly, it is considered that the functional groups left on the surface are also reduced accordingly. When the dried gel according to the present embodiment is observed with an SEM, the presence of particles of about 10 nm to several tens of nm can be confirmed on the surface of the solid skeleton.
[0087]
In addition, the reconstitution catalyst and water addition concentrations allow the restructuring to proceed sufficiently even at room temperature or lower. preferable.
[0088]
In the restructuring step, it is important to selectively proceed on the solid skeleton of the wet gel, not the outside of the wet gel formed by the first gelation. For that purpose, it is preferable to lengthen the time required for gelation in order for the reconstituted gel raw material to sufficiently enter the first wet gel. Alternatively, it is preferable that the wet gel is made into small pieces or particles or a thin film so that the reconstructed gel raw material enters the wet gel in a short time.
[0089]
As already mentioned, by forming a low-density gel skeleton in the initial stage, the shrinkage during gelation is reduced, so cracking due to shrinkage and missing from the substrate are reduced, and heat insulation, sound absorbing material, insulating material, acoustic matching When used as a layer or the like, good performance is ensured and variations in characteristics are reduced. In addition, since the pore diameter of the porous body is increased, cracks and shrinkage that occur in the drying process when contacted with an organic solvent due to an accident or the like are reduced, and the reliability during use is enhanced.
[0090]
As the reconstruction catalyst used in the reconstruction process, those in the group of gelation catalysts used in the first gelation process can be used, and in particular, the same as the gelation catalyst in the first gelation process. Need not be.
[0091]
Further, as the reconstructed gel raw material used in the restructuring step, the gel raw material used in the first gelation step is used, and the relationship between the first gel raw material and the reconstructed gel raw material is not particularly limited. For example, when tetraethoxysilane, which is an alkoxysilane, is used as the gel material in the first gelation step, tetraethoxysilane can be used as the reconstructed gel material in the reconstruction step, If a solvent to be dissolved is selected, other metal alkoxides and aqueous silicic acid solutions can also be used.
[0092]
The solvent used in this step is not particularly limited as long as the reconstructed gel raw material and the reconstructed catalyst are dissolved as described above.
[0093]
(Hydrophobicization process)
Following the reconstruction process, a hydrophobization process is performed. In this step, a hydrophobic group is introduced by reacting a hydrophobizing agent dissolved in a solvent with the surface of the wet gel obtained up to the restructuring step. In the case of chlorosilane or the like, which will be described later, the hydrophobizing agent reacts with water and decreases its reactivity with the wet gel surface. It is preferable to remove water by distilling off using a boiling solvent.
[0094]
The hydrophobizing agent used in the present invention is preferably a silylating agent from the viewpoint of high reactivity, and examples thereof include silazane compounds, chlorosilane compounds, alkylsilanol compounds and alkylalkoxysilane compounds.
[0095]
In the case of a silazane compound, a chlorosilane compound, or an alkylalkoxysilane compound, these silylating agents react with silanol groups on the gel surface after being directly or hydrolyzed to the corresponding alkylsilanol. Further, when alkylsilanol is used as a silylating agent, it reacts with the silanol group on the surface as it is.
[0096]
Among these, chlorosilane compounds and silazane compounds are particularly preferred because of their high reactivity during hydrophobization and availability, and because they are easily available and do not generate gases such as hydrogen chloride and ammonia during hydrophobization. Alkyl alkoxysilanes are particularly preferably used.
[0097]
Specifically, chlorosilane compounds such as trimethylchlorosilane, methyltrichlorosilane and dimethyldichlorosilane, silazane compounds such as hexamethyldisilazane, methoxytrimethylsilane, ethoxytrimethylsilane, dimethoxydimethylsilane, dimethoxydiethylsilane and diethoxydimethylsilane There are silylating agents represented by silanol compounds such as alkylalkoxysilane compounds, trimethylsilanol and triethylsilanol. If these are used, hydrophobization can be promoted by introducing an alkylsilyl group such as a trimethylsilyl group into the wet gel surface.
[0098]
Further, if a fluorinated silylating agent is used as the hydrophobizing agent, the hydrophobicity becomes strong and is very effective.
[0099]
As the hydrophobizing agent, alcohols such as ethanol, propanol, butanol, hexanol, heptanol, octanol, ethylene glycol and glycerol as well as carboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid and succinic acid can be used. . These are hydrophobized by reacting with the hydroxyl groups on the gel surface to form ethers or esters, but the reaction is relatively slow and requires high temperature conditions.
[0100]
(Drying process)
Following the hydrophobization step, a drying step is performed. In this step, a dry gel is obtained by removing the solvent from the wet gel obtained up to the hydrophobization step.
[0101]
There are three drying methods for removing the solvent from the wet gel: (1) heat drying method (2) supercritical drying method (3) freeze drying method. The heat drying method is the most common and simple drying method, and the wet gel containing the solvent is heated to vaporize and remove the solvent in the liquid state. This drying is most preferable. In addition, "heat drying" here includes natural drying in which the above-described degree of heating is extremely low and left to dry without heating.
[0102]
When drying, if the gel density is low, the gel may temporarily shrink and crack due to capillary forces proportional to the surface tension of the solvent in the gel. For this reason, the solvent for drying is preferably a hydrocarbon-based solvent having a low surface tension at the boiling point, and particularly inexpensive hexane, pentane or a mixture thereof is preferable. On the other hand, from the viewpoint of safety, drying from alcohols such as isopropanol, ethanol, butanol, and water or a mixed solvent of water and an organic solvent is preferable. In this embodiment, the wet gel has a pore volume of 0.5 cm by the supercritical drying method described later. Three / G or less, specific surface area of 300m 2 If it is a wet gel that gives a dry gel of / g or less, cracking and shrinkage are suppressed even by drying from many solvents such as alcohols and water.
[0103]
The supercritical drying method uses a supercritical fluid having a surface tension of 0 in order to lower the surface tension of the solvent when the solvent is removed. Upon drying, the solvent is removed without going through a liquid state. As the supercritical fluid used for drying, there are supercritical states such as water, alcohol, carbon dioxide, etc., but carbon dioxide that can be obtained at the lowest temperature and is harmless is preferably used.
[0104]
Specifically, by first introducing liquefied carbon dioxide into the pressure vessel, the solvent in the wet gel in the pressure vessel is replaced with liquefied carbon dioxide. Next, the pressure and temperature are raised to a critical point or higher to achieve a supercritical state, and carbon dioxide is gradually released while maintaining the temperature to complete drying.
[0105]
The lyophilization method is a drying method in which after the solvent in the wet gel is frozen, the solvent is removed by sublimation. Since it does not go through a liquid state, a gas-liquid interface does not occur in the gel, and capillary force does not work, so that shrinkage of the gel during drying can be suppressed.
[0106]
The solvent used in the freeze-drying method is preferably a solvent having a high vapor pressure at the freezing point, and examples thereof include tertiary butanol, glycerin, cyclohexane, cyclohexanol, para-xylene, benzene, and phenol. Among these, tertiary butanol and cyclohexane are particularly preferable because of high vapor pressure at the melting point.
[0107]
At the time of lyophilization, it is effective to replace the solvent in the wet gel with a solvent having a high vapor pressure at the above-mentioned freezing point. In addition, it is more preferable to use a solvent having a high vapor pressure at the freezing point as the solvent used for the gelation because the solvent replacement can be omitted and efficient production becomes possible.
[0108]
Drying may be performed after the hydrophobizing step or may be performed before the hydrophobizing step. In the case of hydrophobizing after the drying step, hydrophobic groups are introduced on the surface of the dried gel by exposing the dried gel to the vapor of the hydrophobizing agent, not in the solution. Therefore, there is an effect that the amount of solvent to be used is reduced.
[0109]
As the hydrophobizing agent used at this time, the above-mentioned hydrophobizing agents can be used, but chlorosilane compounds such as trimethylchlorosilane and dimethyldichlorosilane are most preferable because of their high reactivity. When using a hydrophobizing agent other than the chlorosilane compound, it is also effective to use a catalyst that can be introduced in a gaseous state, such as ammonia or hydrogen chloride.
[0110]
Further, when hydrophobizing in the gas phase, the temperature during hydrophobizing can be increased without being limited by the boiling point of the solvent or hydrophobizing agent. Therefore, hydrophobization in the gas phase is effective for speeding up the reaction. Moreover, if the wet gel is a thin film or powder, the penetration of the hydrophobizing agent vapor is easy, and the thin film is more preferable because the effect of reducing the amount of solvent is great.
[0111]
Moreover, it is also possible to perform a reconstruction process and a hydrophobization process simultaneously. In this case, since the two steps are simultaneously performed, an effect that a porous body made of a dry gel can be obtained in a short time is obtained.
[0112]
Specifically, in the restructuring step and the hydrophobizing step, the wet gel obtained in the first gelation step is immersed in a treatment liquid in which the restructuring gel raw material solution used in the restructuring step and the hydrophobizing agent are mixed. It will be implemented. By doing so, gel reconstruction and hydrophobization proceed simultaneously. As the restructuring raw material and the hydrophobizing agent at the time of hydrophobization, the same ones as described above can be used. For example, after the first gelation is performed from an aqueous silicic acid solution obtained by electrodialysis from water glass, the obtained wet gel is converted into a gel raw material alkoxysilane and a hydrophobizing agent by using a water-soluble solvent. In a solution in which a silazane compound or the like is dissolved, restructuring and hydrophobization are performed simultaneously.
[0113]
When the restructuring step and the hydrophobizing step are simultaneously performed as described above, the combination of the gel raw material and the hydrophobizing agent is not particularly limited as long as solubility is satisfied. In addition, when a polyfunctional alkylalkoxysilane, chlorosilane, or alkylsilanol having an alkyl group is used as the hydrophobizing agent, the alkyl group is introduced into the gel skeleton, which gives the gel flexibility and brittleness. There is also an effect that is improved. At this time, the central part of the gel skeleton is hard and the peripheral part has a characteristic structure with flexibility.
[0114]
As described above, a dry gel having a hydrophobic surface of the solid skeleton can be obtained. Moreover, in the above-described manufacturing process, a dry gel having a hydrophilic surface of the solid skeleton can be obtained by omitting the hydrophobic step. The wet gel that has undergone the restructuring process has reduced fine pores and a thick solid skeleton, so that even if the surface remains hydrophilic and drying treatment (including heat drying) is performed, the gel shrinkage and Generation of cracks is suppressed. For example, when a solid skeleton is formed with a metal oxide, a dry gel having a hydrophilic surface on the surface of the solid skeleton can be obtained.
[0115]
(Crushing process)
A dried gel powder is obtained by pulverizing the dried gel obtained as described above by a known method. The pulverization is performed using, for example, a blender (for example, 700S type manufactured by Walling). The particle size of the dry gel powder is not particularly limited, and may be a powder of the order of several tens of micrometers. From the viewpoint of ease of pulverization, it is preferable to use a dry powder in the range of 1 μm to 100 μm. In addition, a wider particle size distribution is preferable because the filling property is improved.
[0116]
Moreover, you may perform a grinding | pulverization process between a 1st gelatinization process and a drying process. In addition, for example, the first wet gel may be pulverized in the solution by stirring or the like while the first wet gel is produced or after the first wet gel is produced. Thus, if it grind | pulverizes in the stage of a 1st wet gel, the advantage that the process efficiency in a subsequent reconstruction process and / or a drying process will improve is acquired. Moreover, the wet gel on particle | grains can also be obtained by performing a 1st gelation process in the state which disperse | distributed the 1st gel raw material solution in the poor solvent.
[0117]
(Binder composition)
The binder composition (binder and solvent) is selected according to the solvent affinity (hydrophilic or hydrophobic) of the dry gel powder and / or depending on the application of the molded body. Since the dried gel is excellent in solvent resistance, various binder compositions can be used.
[0118]
A method of mixing the binder composition and the dry gel powder to obtain a molding composition can be performed by a known method. For example, it can mix using a mortar, a ball mill, a homogenizer, etc.
[0119]
Moreover, you may mix a reinforcing material in the composition for shaping | molding. Alternatively, the molding composition can be poured into a reinforcing material to form a molded body containing the reinforcing material. As the reinforcing material suitably used, honeycomb structure, glass fiber or mineral fiber, organic fiber (for example, natural fiber in addition to synthetic fiber such as polyester fiber, aramid fiber, nylon fiber, etc.) or these fibers Fiber aggregates such as fiber cloths and nonwoven fabrics made of fibers can also be used. Polyurethane, polyester, vinyl chloride, polyolefin, polystyrene, silicone, and other foams can also be used.
[0120]
Moreover, you may form a protective film on the surface of a molded object. By forming the protective film, there is an effect that the strength of the surface increases and the handling becomes easier.
[0121]
(Molded body containing hydrophobic dry gel powder)
An embodiment in which a molded body is produced using a hydrophobic dry gel powder and a hydrophobic binder composition will be described. The hydrophobic dry gel powder as used herein means a dry gel powder that floats in water when the dry gel powder is mixed with water, and water does not substantially penetrate into the pores. To do. Such hydrophobicity is imparted by performing the above-described hydrophobizing step, and hydrophobicity can be easily imparted if it is an inorganic oxide-based dry gel. Moreover, even if it is an organic type gel, if it reacts with the hydrophobizing agent mentioned above, hydrophobicity can be provided.
[0122]
When the dry gel powder has hydrophobicity, in the conventional molding method, the gel shrinks when the organic solvent in the molding composition penetrates into the pores of the gel and is dried. The density increases. On the other hand, in this embodiment, the pore volume corresponding to pores of 2 nm or more and 40 nm or less is 1.0 cm. Three By using a dry gel powder as small as / g or less, the capillary force proportional to the pore diameter is reduced, and the gel shrinkage is suppressed.
[0123]
Any binder that can be dissolved in an organic solvent can be used. As described above, general binders such as silicon resin, acrylic resin, vinyl resin, vinyl acetate resin, phenol resin, and cellulose can be used.
[0124]
In addition, when a conventional hydrophobic dry gel is used, water does not enter into the pores because the gel is hydrophobic, but a mixed solvent of an organic solvent and water enters into the pores of the gel. Sometimes. Capillary force generated when a water-containing solvent forms a gas-liquid interface in the pores is large, and shrinkage is significant in a molded body made of a conventional dry gel, but the dry gel of the embodiment of the present invention is used. In such a case, shrinkage of the molded body is suppressed.
[0125]
(Molded product containing hydrophilic dry gel powder)
An embodiment in which a molded body is produced using a dry gel powder having hydrophilicity and a hydrophilic binder composition will be described. The dry gel powder having hydrophilicity as used herein refers to a dry gel powder that absorbs water when the dry gel powder is poured into water.
[0126]
When the dried gel powder has hydrophilicity, in the conventional molding method, water or an organic solvent in the molding composition penetrates into the pores of the gel, and this penetration and drying Gel shrinkage occurs and the density of the molded body increases. In the present embodiment, the pore volume corresponding to pores of 2 nm or more and 40 nm or less is 1.0 cm. Three By using a dry gel powder as small as / g or less, even when water is contained in the solvent, the capillary force proportional to the pore diameter is reduced and the gel shrinkage is suppressed.
[0127]
Further, in the conventional method for producing a molded article comprising a dry gel, in order to obtain a low-density molded article, it is necessary to prevent the penetration of a solvent into the gel. There was no choice but to combine a binder with an aqueous solvent. When the dried gel has hydrophobicity, the gel surface is covered with hydrophobic organic groups such as alkyl groups that form a low-energy surface. The interaction is weak, and the binding force (adhesive force) by the binder is reduced.
[0128]
On the other hand, when the dry gel powder has hydrophilicity as in the present embodiment, an attractive interaction works strongly with the polar group of the binder, so that the binding force by the binder is enhanced. . Furthermore, when the polar group on the surface of the solid skeleton of the dry gel reacts with the polar group of the binder to form a bond, a molded body with higher strength can be obtained. For example, when a hydroxyl group is present on the surface of the dry gel powder and shows hydrophilicity, for example, by reacting with an isocyanate group, a hydroxyl group, an epoxy group, a carboxyl group, a methoxymethyl group, etc. of the binder, a urethane bond, An ether bond, an ester bond, and a methylene bond are formed.
[0129]
As the binder used in the present embodiment, those described above can be used, and a binder having a polar group such as a hydroxyl group is particularly preferable.
[0130]
As the dry gel powder used in the present embodiment, the above-mentioned dry gel powder can be used regardless of whether it is organic or inorganic as long as it has hydrophilicity. In particular, a metal oxide-based dry gel powder made of silicon oxide or the like can be suitably used because it has a large number of hydroxyl groups on the surface. In the case of the above metal oxide-based dry gel, the binder has a silanol group or a silanol group by hydrolysis or the like in addition to those having an isocyanate group, a hydroxyl group, an epoxy group, a carboxyl group, and a methoxymethyl group as described above. Use of the resulting silanol-based or alkoxysilane-based binder is preferable because it is easy to form a bond by condensation of silanol groups.
[0131]
In addition, as described above, after forming a dry gel powder having hydrophilicity, the remaining hydroxyl groups are reacted with a hydrophobizing agent in the gas phase to impart hydrophobicity. Is also possible.
[0132]
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. However, the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific gel raw materials, the types of raw materials such as the gelation catalyst, the solvent, and the binder used below. It is not something.
[0133]
【Example】
<< Example 1 and Comparative Example 1 >>
In this example, a molding composition was prepared by mixing a hydrophobized dry gel powder, an organic solvent, and a binder, and a molded body was prepared using the composition.
[0134]
(1) First gelation step
First, tetraethoxysilane / ethanol / water / hydrogen chloride = 1/15/1 / 0.00078 (molar ratio) was mixed and placed in a thermostatic bath at 65 ° C. for 3 hours to hydrolyze tetraethoxysilane. Made progress. Next, water / NH Three = 2.5 / 0.0057 (molar ratio with respect to tetraethoxysilane) was added and mixed, and placed in a thermostatic bath at 50 ° C. for 1 day to proceed with gelation to obtain a wet gel. At this point, the wet gel was cut into a shape of 10 mm × 10 mm × 3 mm.
[0135]
(2) Restructuring process
Tetraethoxysilane was used as a restructuring raw material (second gel raw material), and ammonia water was used as a restructuring catalyst (second catalyst). The wet gel obtained in the first step of gelation is immersed in a restructured raw material solution (second gel raw material solution) obtained by mixing with tetraethoxysilane / ethanol / ammonia water = 60/35/5 (volume ratio). It piled up and processed in a 70 degreeC thermostat. The treatment time was three cases of 9 hours, 10.5 hours, 13 hours, and 24 hours separately. Ammonia water was 0.1N, and the second gel raw material solution was 20 times the wet gel volume.
[0136]
(3) Hydrophobization process
The wet gel obtained in the restructuring step was washed twice by immersing it in isopropyl alcohol having a volume 5 times the gel volume. The wet gel was hydrophobized while being mixed with a hydrophobizing solution obtained by mixing dimethyldimethoxysilane / isopropyl alcohol / ammonia water = 45/45/10 (weight ratio) at 40 ° C. for 1 day. As the hydrophobizing solution, 20 times the volume of the wet gel was used.
[0137]
(4) Drying process
Finally, the hydrophobized gel was immersed in isopropyl alcohol having a volume 5 times the gel volume and washed twice. Next, the gel was placed in a pressure resistant container, and liquefied carbon dioxide was circulated in the container, whereby isopropyl alcohol in the gel was replaced with liquefied carbon dioxide. Next, the liquefied carbon dioxide was further pumped into the container to raise the pressure in the container to 10 MPa. Then, the inside of a container was made into the supercritical state by heating up to 50 degreeC. Next, drying was completed by slowly releasing the pressure while maintaining the temperature at 50 ° C.
[0138]
(5) Grinding process
The obtained dried gel was pulverized using a blender (manufactured by Walling) to obtain a powder. The average particle diameter of the obtained dry gel powder was 25 μm.
[0139]
The density of the obtained dried gel and the pore volume and specific surface area corresponding to pores of 2 nm to 40 nm were measured. The density was calculated from this value by determining the volume from the weight measurement and the buoyancy when the dried gel was immersed in water. The pore volume and specific surface area were calculated by applying the BJH method and BET method by the nitrogen adsorption method.
[0140]
The processing time of the rebuilding process is 9 hours, 13 hours and 24 hours in order of density (150 kg / m Three 250 kg / m Three 420 kg / m Three ), Pore volume (0.9 cm) Three / G, 0.5cm Three / G, 0.3cm Three / G), specific surface area (390 m 2 / G, 270m 2 / G, 180m 2 / G).
[0141]
(6) Fabrication of molded body
Using a mortar, 100 g of the dried gel powder obtained by the above process, 15 g of fine resin FR-101 (manufactured by Lead City), 200 g of methanol, and 0.2 g of maleic acid are used as binders. And mixed to prepare a slurry-like molding composition.
[0142]
1 part of this composition is poured into a mold having a bottom surface of 3 cm × 3 cm, methanol is evaporated at 50 ° C., dried, and further heated at 120 ° C. for 1 hour, whereby the above methoxymethyl group and amide group A molded body was formed by forming a cross-linkage with a hydrogen atom by a methanol removal reaction.
[0143]
The density of the obtained molded body was calculated from the mass and the volume determined from the shape. The calculated density is 140 kg / m in order of the rebuilding process time of 9 hours, 13 hours, and 24 hours. Three 220 kg / m Three 360 kg / m Three Met.
[0144]
(Comparative Example 1)
For comparison, tetraethoxysilane / ethanol / water = 1/4 (molar ratio) was mixed and gelation was allowed to proceed at room temperature. Water was added and mixed in the form of 0.1N aqueous ammonia. Then, after hydrophobizing and drying like Example 1, it grind | pulverized and the dry gel powder was obtained. However, at the time of drying, in order to suppress the shrinkage of the gel, the solvent in the gel was replaced with hexane instead of isopropyl alcohol, followed by drying. The density of the obtained dry gel powder is 290 kg / m Three Met.
[0145]
Using this dry gel powder, a molded product was produced in the same manner as in Example 1. The density of the obtained molded body was 480 kg / m. Three Met.
[0146]
Thus, in Example 1, compared with the comparative example 1, even when the density of the used dry gel powder was high, what the density of the molded object was low was obtained. In Comparative Example 1, because of the fine pores of the dry gel powder, gel shrinkage progressed when the solvent that had entered the pores was removed in the drying process, whereas in Example 1, This is probably because the dry gel powder has few fine pores, so that the shrinkage during drying is suppressed.
[0147]
<< Example 2 and Comparative Example 2 >>
In this example, a hydrophobized dry gel, water as a solvent, and a phenol resin as a binder were mixed to prepare a molding composition, and a molded body was prepared using the composition.
[0148]
100 g of dry gel powder produced in Example 1 with a treatment time of the reconstruction process of 24 hours, 30 g of phenolite PG-580 (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd.), which is a phenol resin as a binder, and 200 g of water Were mixed using a mortar to prepare a slurry-like molding composition.
[0149]
One part of this composition was poured into a mold having a bottom surface of 3 cm × 3 cm, water was evaporated at 80 ° C. to dry, and further, heating was performed at 150 ° C. for 2 hours to promote crosslinking and form a molded body. .
[0150]
The density of the obtained molded body was 380 kg / m Three Met.
[0151]
(Comparative Example 2)
A dry gel powder was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that a wet gel was prepared using tetraethoxysilane / ethanol / water = 1/3/4 (molar ratio) as the dry gel powder. The density of the dried gel is 210 kg / m Three Met.
[0152]
Using the dried gel powder, a molded body was produced in the same manner as in Example 2. The density of the obtained molded body was 620 kg / m. Three Met.
[0153]
Thus, in Example 2, although compared with Comparative Example 2, the density of the molded body was low although the density of the used dry gel was high. This is because in Comparative Example 2, when the water having a large surface tension entered the fine pores of the dry gel powder, a larger capillary force was generated, and the shrinkage of the dry gel progressed. In No. 2, it is considered that the shrinkage was suppressed because the dried gel powder had few fine pores.
[0154]
<< Example 3 and Comparative Example 3 >>
In this example, a molding composition was prepared by mixing a dry gel powder having hydrophilicity, an organic solvent, and a binder, and a molded body was prepared using the composition.
[0155]
In the process of Example 1, after performing the process of the reconstruction process for 24 hours, the hydrophobization process was omitted, and the dried gel powder obtained by drying was used in the same manner as in Example 1. Thus, a molded body was obtained.
[0156]
The density of said dry gel powder and a molded object was computed by calculating | requiring a volume from the measurement of mass, and a shape. The density of the dry gel powder is 390 kg / m Three The density of the molded body is 360 kg / m Three Met.
[0157]
(Comparative Example 3)
A dry gel powder was produced in the same manner as in Comparative Example 2. However, the drying process was carried out by substituting the solvent in the gel with ethanol and naturally drying. The density of the dry gel powder thus obtained is 370 kg / m Three Met.
[0158]
100 g of this dry gel powder, 3 g of silicone-based surfactant TSD-4522 (manufactured by Toshiba Silicone) and a surfactant-containing urethane-based emulsion as a binder (manufactured by GENEKA, RU-40-570) as a solid content A slurry-like molding composition was prepared by mixing so as to be 15% of the mass of the powder.
[0159]
Using this composition, a molded body was obtained in the same manner as in Example 3. However, at the time of molding, the molding was carried out by evaporating water at 80 ° C. and drying, and then leaving it to stand at 90 ° C. for 1 day. The density of the obtained molded body was 390 kg / m Three Met.
[0160]
Moreover, when the molded body obtained in Example 3 and Comparative Example 3 were overlapped with each other and pressure was applied from both sides, the molded body of Comparative Example 3 was first deformed and cracked. Further, when both molded bodies were immersed in water and dried, the density of the molded body of Example 3 was not changed, but the density of the molded body of Comparative Example 3 was increased by 20% or more.
[0161]
As described above, the strength of the molded body of Example 3 is high because the binder covers the outside of the dry gel powder and the binder penetrates into the pores. In addition to the increase in the strength of the gel powder itself, it is considered that condensation occurs between the hydroxyl group on the surface of the solid skeleton of the dry gel powder and the methylol group of the binder, thereby realizing a strong bond.
[0162]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the molded object containing a dry gel and the manufacturing method of the same improved in intensity | strength than before are provided.
[0163]
The molded body of the present invention has a pore volume of 1 cm in a pore diameter range of 2 nm to 40 nm. Three Since a dry gel powder that is less than / g is included, even if a solvent or a binder enters the pores, gel shrinkage or cracking does not occur, so that a molded article having high strength can be obtained.
[0164]
According to the present invention, it is possible to obtain a molded body having a density lower than that of the conventional one, whether using a dry gel powder having hydrophobicity or using a dry gel powder having hydrophilicity.
[0165]
The molded product according to the present invention has a low density and higher strength than the conventional one, and also has excellent solvent resistance during use. Therefore, the molded body according to the present invention is suitably applied to a heat insulating material, an acoustic matching layer, and the like, and has an effect that the restriction of the use environment is greatly relaxed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for producing a dry gel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a diagram schematically showing a first solid skeleton in the method for producing a dry gel of an embodiment according to the present invention, and FIG. 2B is a schematic diagram showing a second solid skeleton obtained through a reconstruction process. FIG.
FIGS. 3A to 3E are graphs showing the results of measuring the particle size distribution of particles produced in the reconstructed raw material solution (Example 1). FIGS.
FIG. 4 (a) is a cumulative pore curve (pore volume (cm) determined by BJH method for various dry gels. Three / G) and a pore diameter (pore diameter)), and (b) is a differential pore curve.
[Explanation of symbols]
1 First gel raw material solution
2 First wet gel
3 Reconstructed raw material solution (second gel raw material solution)
4 Second wet gel
Claims (7)
第1固体骨格と第1細孔とを有する第1ゲルを用意する工程と、 Providing a first gel having a first solid skeleton and first pores;
ゲル原料溶液と再構築触媒と水とを用いて、前記第1固体骨格の少なくとも一部を分解するとともに前記第1固体骨格よりも太い第2固体骨格を形成する再構築工程と、 Using a gel raw material solution, a restructuring catalyst, and water, reconstructing at least part of the first solid skeleton and forming a second solid skeleton thicker than the first solid skeleton;
前記再構築工程によって得られたゲルを乾燥することによって乾燥ゲルを得る工程と、 Obtaining a dry gel by drying the gel obtained by the restructuring step;
前記乾燥ゲルを粉砕し、細孔径が2nm以上40nm以下の範囲の細孔の容積が1cm The dried gel is pulverized, and the pore volume with a pore diameter in the range of 2 nm to 40 nm is 1 cm. 3Three /g以下である乾燥ゲル粉末を用意する工程と、Preparing a dry gel powder that is less than or equal to / g;
バインダおよび溶媒を含むバインダ組成物を用意する工程と、 Preparing a binder composition comprising a binder and a solvent;
前記バインダ組成物を用いて前記乾燥ゲル粉末を所定の形状に成形する工程と、 Forming the dry gel powder into a predetermined shape using the binder composition;
を包含し、Including
前記乾燥ゲル粉末の密度が50kg/m The density of the dry gel powder is 50 kg / m 3Three 以上500kg/m500 kg / m or more 3Three 以下であり、前記乾燥ゲル粉末の固体骨格がチタン、シリコン、バナジウム、アルミニウム、ジルコニウムの酸化物を含む材料から形成されている、The solid skeleton of the dry gel powder is formed from a material containing an oxide of titanium, silicon, vanadium, aluminum, zirconium,
成形体の製造方法。Manufacturing method of a molded object.
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